Biología

"Biológico" vuelve a dirigir aquí. Para otros usos, consulte Biológico (desambiguación).

La biología se ocupa del estudio de la vida.

• arriba: bacteria E. coli y gacela
• abajo: escarabajo Goliat y helecho arborescente

Parte de una serie sobre
Biología
Ciencia de la vida
Índice Esquema Glosario Historia ( línea de tiempo )
Componentes clave Teoría celular Ecosistema Evolución Filogenia Propiedades de la vida Adaptación Procesamiento de energía Crecimiento Pedido Regulación Reproducción Respuesta al medio ambiente Dominios y reinos de la vida Arqueas Bacterias Eukarya ( animales, hongos, plantas, protistas )
Sucursales Anatomía Biotecnología Botánica Biología Celular Ecología Biología evolucionaria Genética Biología Marina Microbiología Biología Molecular Micología Neurociencia Paleontología Psicología Fisiología Protistología Virología Zoología
Investigar Biólogo ( lista) Lista de premios de biología Lista de revistas Lista de métodos de investigación Lista de problemas no resueltos
Aplicaciones Ciencia de la agricultura Ciencias Biomédicas Tecnología de la salud Pharming
Portal de biología   Categoría
v t mi

La biología es el estudio científico de la vida. Es una ciencia natural con un alcance amplio, pero tiene varios temas unificadores que la unen como un campo único y coherente. Por ejemplo, todos los organismos están formados por células que procesan información hereditaria codificada en genes, que puede transmitirse a las generaciones futuras. Otro tema importante es la evolución, que explica la unidad y diversidad de la vida. El procesamiento de energía también es importante para la vida, ya que permite que los organismos se muevan, crezcan y se reproduzcan. Finalmente, todos los organismos pueden regular sus propios entornos internos.

Los biólogos pueden estudiar la vida en múltiples niveles de organización. Desde la biología molecular de una célula hasta la anatomía y fisiología de plantas y animales, y evolución de poblaciones. Por lo tanto, existen múltiples subdisciplinas dentro de la biología, cada una definida por la naturaleza de sus preguntas de investigación y las herramientas que utilizan. Como otros científicos, los biólogos usan el método científico para hacer observaciones, plantear preguntas, generar hipótesis, realizar experimentos y llegar a conclusiones sobre el mundo que los rodea.

La vida en la Tierra, que surgió hace más de 3.700 millones de años, es inmensamente diversa. Los biólogos han buscado estudiar y clasificar las diversas formas de vida, desde organismos procariotas como arqueas y bacterias hasta organismos eucariotas como protistas, hongos, plantas y animales. Estos diversos organismos contribuyen a la biodiversidad de un ecosistema, donde desempeñan funciones especializadas en el ciclo de nutrientes y energía a través de su entorno biofísico.

• 1 Etimología
• 2 Historia
• 3 fundamentos
  • 3.1 Base química
    • 3.1.1 Átomos y moléculas
    • 3.1.2 Agua
    • 3.1.3 Compuestos orgánicos
    • 3.1.4 Macromoléculas
  • 3.2 Celdas
    • 3.2.1 Estructura celular
    • 3.2.2 Metabolismo
    • 3.2.3 Respiración celular
    • 3.2.4 Fotosíntesis
    • 3.2.5 Señalización celular
    • 3.2.6 Ciclo celular
  • 3.3 Genética
    • 3.3.1 Herencia
    • 3.3.2 ADN
    • 3.3.3 Expresión génica
    • 3.3.4 Regulación genética
    • 3.3.5 Genomas
    • 3.3.6 Biotecnología
    • 3.3.7 Genes, desarrollo y evolución
  • 3.4 Evolución
    • 3.4.1 Procesos evolutivos
    • 3.4.2 Especiación
    • 3.4.3 Filogenia
    • 3.4.4 Historia de vida
  • 3.5 Diversidad
    • 3.5.1 Bacterias y arqueas
    • 3.5.2 Protistas
    • 3.5.3 Diversidad vegetal
    • 3.5.4 Hongos
    • 3.5.5 Diversidad animal
    • 3.5.6 Virus
  • 3.6 Forma y función de la planta
    • 3.6.1 Cuerpo vegetal
    • 3.6.2 Nutrición y transporte de las plantas
    • 3.6.3 Desarrollo de la planta
    • 3.6.4 Reproducción vegetal
    • 3.6.5 Respuestas de la planta
  • 3.7 Forma y función animal
    • 3.7.1 Características generales
    • 3.7.2 Balance de agua y sal
    • 3.7.3 Nutrición y digestión
    • 3.7.4 Respiración
    • 3.7.5 Circulación
    • 3.7.6 Músculo y movimiento
    • 3.7.7 Sistema nervioso
    • 3.7.8 Control hormonal
    • 3.7.9 Reproducción animal
    • 3.7.10 Desarrollo animal
    • 3.7.11 Sistema inmunológico
    • 3.7.12 Comportamiento animal
  • 3.8 Ecología
    • 3.8.1 Ecosistemas
    • 3.8.2 Poblaciones
    • 3.8.3 Comunidades
    • 3.8.4 Biosfera
    • 3.8.5 Conservación
• 4 Ver también
• 5 notas
• 6 referencias
• 7 Lecturas adicionales
• 8 Enlaces externos

Etimología

La biología deriva de las palabras griegas antiguas de βίος bíos romanizados que significan 'vida' y - λογία ; romanizado - logía que significa 'rama de estudio' o 'hablar'. Esos combinados forman la palabra griega βιολογία romanizada biología que significa 'biología'. A pesar de esto, el término βιολογία en su conjunto no existía en griego antiguo. El primero en tomarlo prestado fue el inglés y el francés ( biologie). Históricamente hubo otro término para la biología en inglés, de por vida ; raramente se usa hoy.

La forma en latín del término apareció por primera vez en 1736 cuando el científico sueco Carl Linnaeus ( Carl von Linné) usó biologi en su Bibliotheca Botanica. Fue utilizado de nuevo en 1766 en una obra titulada Philosophiae naturalis sive physicae: tomus III, continens geologian, biologian, fitologian generalis, por Michael Christoph Hanov, un discípulo de Christian Wolff. El primer uso alemán, Biologie, fue en una traducción de 1771 del trabajo de Linnaeus. En 1797, Theodor Georg August Roose utilizó el término en el prefacio de un libro, Grundzüge der Lehre van der Lebenskraft. Karl Friedrich Burdach utilizó el término en 1800 en un sentido más restringido del estudio de los seres humanos desde una perspectiva morfológica, fisiológica y psicológica ( Propädeutik zum Studien der gesammten Heilkunst). El término entró en su uso moderno con el tratado de seis volúmenes Biologie, oder Philosophie der lebenden Natur (1802–22) de Gottfried Reinhold Treviranus, quien anunció:

Los objetos de nuestra investigación serán las diferentes formas y manifestaciones de la vida, las condiciones y leyes bajo las cuales ocurren estos fenómenos y las causas a través de las cuales han sido afectados. La ciencia que se ocupa de estos objetos la indicaremos con el nombre de biología [ Biologie ] o doctrina de la vida [ Lebenslehre ].

Muchos otros términos usados ​​en biología para describir plantas, animales, enfermedades y drogas se han derivado del griego y el latín debido a las contribuciones históricas de las antiguas civilizaciones griega y romana, así como al uso continuo de estos dos idiomas en las universidades europeas durante la Edad Media y principios del Renacimiento.

Historia

Más información: Historia de la biología Diagrama de una mosca del innovador Micrographia de Robert Hooke, 1665

Las primeras raíces de la ciencia, que incluían la medicina, se remontan al antiguo Egipto y Mesopotamia entre el 3000 y el 1200 a. C. Más tarde, sus contribuciones entraron y dieron forma a la filosofía natural griega de la antigüedad clásica. Los filósofos griegos antiguos como Aristóteles (384–322 a. C.) contribuyeron ampliamente al desarrollo del conocimiento biológico. Sus obras como Historia de los animales fueron especialmente importantes porque revelaron sus inclinaciones naturalistas, y luego obras más empíricas que se centraron en la causalidad biológica y la diversidad de la vida. El sucesor de Aristóteles en el Liceo, Teofrasto, escribió una serie de libros sobre botánica que sobrevivieron como la contribución más importante de la antigüedad a las ciencias de las plantas, incluso hasta la Edad Media.

Los eruditos del mundo islámico medieval que escribieron sobre biología incluyeron al-Jahiz (781–869), Al-Dīnawarī (828–896), que escribió sobre botánica, y Rhazes (865–925) que escribió sobre anatomía y fisiología. La medicina fue especialmente bien estudiada por los eruditos islámicos que trabajaban en las tradiciones de los filósofos griegos, mientras que la historia natural se basó en gran medida en el pensamiento aristotélico, especialmente en la defensa de una jerarquía de vida fija.

La biología comenzó a desarrollarse y crecer rápidamente con la espectacular mejora del microscopio de Anton van Leeuwenhoek. Fue entonces cuando los estudiosos descubrieron los espermatozoides, las bacterias, los infusorios y la diversidad de la vida microscópica. Las investigaciones de Jan Swammerdam dieron lugar a un nuevo interés en la entomología y ayudaron a desarrollar las técnicas básicas de disección microscópica y tinción.

Los avances en microscopía también tuvieron un impacto profundo en el pensamiento biológico. A principios del siglo XIX, varios biólogos señalaron la importancia central de la célula. Luego, en 1838, Schleiden y Schwann comenzaron a promover las ideas ahora universales de que (1) la unidad básica de los organismos es la célula y (2) que las células individuales tienen todas las características de la vida, aunque se oponían a la idea de que (3) todos las células provienen de la división de otras células. Sin embargo, gracias al trabajo de Robert Remak y Rudolf Virchow, en la década de 1860 la mayoría de los biólogos aceptaban los tres principios de lo que llegó a conocerse como teoría celular.

Mientras tanto, la taxonomía y la clasificación se convirtieron en el centro de atención de los historiadores naturales. Carl Linnaeus publicó una taxonomía básica para el mundo natural en 1735 (cuyas variaciones se han utilizado desde entonces), y en la década de 1750 introdujo nombres científicos para todas sus especies. Georges-Louis Leclerc, conde de Buffon, trató las especies como categorías artificiales y las formas vivas como maleables, sugiriendo incluso la posibilidad de una descendencia común. Aunque se opuso a la evolución, Buffon es una figura clave en la historia del pensamiento evolutivo ; su trabajo influyó en las teorías evolutivas de Lamarck y Darwin.

En 1842, Charles Darwin escribió su primer boceto de Sobre el origen de las especies.

El pensamiento evolutivo serio se originó con las obras de Jean-Baptiste Lamarck, quien fue el primero en presentar una teoría coherente de la evolución. Postuló que la evolución era el resultado del estrés ambiental sobre las propiedades de los animales, lo que significa que cuanto más frecuente y rigurosamente se usaba un órgano, más complejo y eficiente se volvería, adaptando así al animal a su entorno. Lamarck creía que estos rasgos adquiridos podrían luego transmitirse a la descendencia del animal, quien los desarrollaría y perfeccionaría aún más. Sin embargo, fue el naturalista británico Charles Darwin, que combinó el enfoque biogeográfico de Humboldt, la geología uniformista de Lyell, los escritos de Malthus sobre el crecimiento de la población y su propia experiencia morfológica y extensas observaciones naturales, quien forjó una teoría evolutiva más exitosa basada en la selección natural. ; Un razonamiento y una evidencia similares llevaron a Alfred Russel Wallace a llegar de forma independiente a las mismas conclusiones. La teoría de la evolución por selección natural de Darwin se extendió rápidamente a través de la comunidad científica y pronto se convirtió en un axioma central de la ciencia de la biología en rápido desarrollo.

La base de la genética moderna comenzó con el trabajo de Gregor Mendel, quien presentó su artículo, " Versuche über Pflanzenhybriden " (" Experimentos sobre hibridación de plantas "), en 1865, que esbozó los principios de la herencia biológica, que sirvió de base para la genética moderna.. Sin embargo, la importancia de su trabajo no se comprendió hasta principios del siglo XX, cuando la evolución se convirtió en una teoría unificada cuando la síntesis moderna reconcilió la evolución darwiniana con la genética clásica. En la década de 1940 y principios de la de 1950, una serie de experimentos de Alfred Hershey y Martha Chase señalaron al ADN como el componente de los cromosomas que contenía las unidades portadoras de rasgos que se conocían como genes. Un enfoque en nuevos tipos de organismos modelo como virus y bacterias, junto con el descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN por James Watson y Francis Crick en 1953, marcó la transición a la era de la genética molecular. Desde la década de 1950 hasta la actualidad, la biología se ha extendido enormemente en el dominio molecular. El código genético fue descifrado por Har Gobind Khorana, Robert W. Holley y Marshall Warren Nirenberg después de que se entendiera que el ADN contenía codones. Finalmente, el Proyecto Genoma Humano se lanzó en 1990 con el objetivo de mapear el genoma humano general. Este proyecto se completó esencialmente en 2003, y aún se están publicando análisis adicionales. El Proyecto Genoma Humano fue el primer paso en un esfuerzo globalizado para incorporar el conocimiento acumulado de la biología en una definición funcional y molecular del cuerpo humano y los cuerpos de otros organismos.

Fundamentos

Base química

Átomos y moléculas

Más información: Química En el modelo de Bohr de un átomo, los electrones (punto azul) orbitan alrededor de un núcleo atómico (círculo relleno de rojo) en orbitales atómicos específicos (círculos vacíos grises).

Todos los organismos están formados por materia y toda la materia está formada por elementos. El oxígeno, el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno son los cuatro elementos que representan el 96% de todos los organismos, y el calcio, fósforo, azufre, sodio, cloro y magnesio constituyen el 3,7% restante. Se pueden combinar diferentes elementos para formar compuestos como el agua, fundamental para la vida. La vida en la Tierra comenzó a partir del agua y permaneció allí durante aproximadamente tres mil millones de años antes de migrar a la tierra. La materia puede existir en diferentes estados como sólido, líquido o gas.

La unidad más pequeña de un elemento es un átomo, que está compuesto por un núcleo atómico y uno o más electrones que se mueven alrededor del núcleo, como se describe en el modelo de Bohr. El núcleo está formado por uno o más protones y varios neutrones. Los protones tienen una carga eléctrica positiva, los neutrones son eléctricamente neutros y los electrones tienen una carga eléctrica negativa. Los átomos con igual número de protones y electrones son eléctricamente neutros. El átomo de cada elemento específico contiene un número único de protones, que se conoce como su número atómico, y la suma de sus protones y neutrones es el número másico de un átomo. Las masas de protones, neutrones y electrones individuales se pueden medir en gramos o Daltons (Da), con la masa de cada protón o neutrón redondeada a 1 Da. Aunque todos los átomos de un elemento específico tienen el mismo número de protones, pueden diferir en el número de neutrones, existiendo así como isótopos. El carbono, por ejemplo, puede existir como un isótopo estable ( carbono-12 o carbono-13 ) o como un isótopo radiactivo ( carbono-14 ), el último de los cuales se puede utilizar en la datación radiométrica (específicamente la datación por radiocarbono ) para determinar la edad. de materiales orgánicos.

Los átomos individuales pueden mantenerse unidos mediante enlaces químicos para formar moléculas y compuestos iónicos. Los tipos comunes de enlaces químicos incluyen enlaces iónicos, enlaces covalentes y enlaces de hidrógeno. El enlace iónico implica la atracción electrostática entre iones con carga opuesta, o entre dos átomos con electronegatividades marcadamente diferentes, y es la interacción principal que se produce en los compuestos iónicos. Los iones son átomos (o grupos de átomos) con carga electrostática. Los átomos que obtienen electrones producen iones con carga negativa (llamados aniones ), mientras que los que pierden electrones producen iones con carga positiva (llamados cationes ).

A diferencia de los enlaces iónicos, un enlace covalente implica el intercambio de pares de electrones entre átomos. Estos pares de electrones y el equilibrio estable de fuerzas atractivas y repulsivas entre átomos, cuando comparten electrones, se conocen como enlaces covalentes.

Un enlace de hidrógeno es principalmente una fuerza de atracción electrostática entre un átomo de hidrógeno que está unido covalentemente a un átomo o grupo más electronegativo, como el oxígeno. Un ejemplo omnipresente de un enlace de hidrógeno se encuentra entre las moléculas de agua. En una molécula de agua discreta, hay dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Dos moléculas de agua pueden formar un enlace de hidrógeno entre ellas. Cuando hay más moléculas presentes, como es el caso del agua líquida, son posibles más enlaces porque el oxígeno de una molécula de agua tiene dos pares de electrones solitarios, cada uno de los cuales puede formar un enlace de hidrógeno con un hidrógeno en otra molécula de agua.

Agua

Modelo de enlaces de hidrógeno (1) entre moléculas de agua

La vida surgió del primer océano de la Tierra, que se formó hace aproximadamente 3.800 millones de años. Desde entonces, el agua sigue siendo la molécula más abundante en todos los organismos. El agua es importante para la vida porque es un solvente eficaz, capaz de disolver solutos como iones de sodio y cloruro u otras moléculas pequeñas para formar una solución acuosa. Una vez disueltos en agua, es más probable que estos solutos entren en contacto entre sí y, por lo tanto, participen en reacciones químicas que sostienen la vida.

En términos de su estructura molecular, el agua es una pequeña molécula polar con una forma doblada formada por los enlaces covalentes polares de dos átomos de hidrógeno (H) a un átomo de oxígeno (O) (H 2 O). Debido a que los enlaces O – H son polares, el átomo de oxígeno tiene una ligera carga negativa y los dos átomos de hidrógeno tienen una ligera carga positiva. Esta propiedad polar del agua le permite atraer otras moléculas de agua a través de enlaces de hidrógeno, lo que hace que el agua sea cohesiva. La tensión superficial resulta de la fuerza cohesiva debida a la atracción entre moléculas en la superficie del líquido. El agua también es adhesiva, ya que puede adherirse a la superficie de cualquier molécula polar o cargada que no sea agua.

El agua es más densa como líquido que como sólido (o hielo ). Esta propiedad única del agua permite que el hielo flote sobre el agua líquida, como estanques, lagos y océanos, aislando así el líquido de abajo del aire frío de arriba. La menor densidad del hielo en comparación con el agua líquida se debe al menor número de moléculas de agua que forman la estructura de celosía cristalina del hielo, lo que deja una gran cantidad de espacio entre las moléculas de agua. Por el contrario, no existe una estructura de red cristalina en el agua líquida, lo que permite que más moléculas de agua ocupen la misma cantidad de volumen.

El agua también tiene la capacidad de absorber energía, lo que le otorga una mayor capacidad calorífica específica que otros disolventes como el etanol. Por lo tanto, se necesita una gran cantidad de energía para romper los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua y convertir el agua líquida en gas (o vapor de agua ).

Como molécula, el agua no es completamente estable ya que cada molécula de agua se disocia continuamente en iones de hidrógeno e hidroxilo antes de reformarse nuevamente en una molécula de agua. En agua pura, el número de iones de hidrógeno equilibra (o iguala) el número de iones de hidroxilo, lo que da como resultado un pH neutro. Si los iones de hidrógeno superaran a los iones de hidroxilo, entonces el pH de la solución sería ácido. Por el contrario, el pH de una solución se volvería básico si los iones hidroxilo superaran a los iones hidrógeno.

Compuestos orgánicos

Más información: Química orgánica Los compuestos orgánicos como la glucosa son vitales para los organismos.

Los compuestos orgánicos son moléculas que contienen carbono unido a otro elemento como el hidrógeno. Con la excepción del agua, casi todas las moléculas que componen cada organismo contienen carbono. El carbono tiene seis electrones, dos de los cuales se encuentran en su primera capa, dejando cuatro electrones en su capa de valencia. Por lo tanto, el carbono puede formar enlaces covalentes con hasta otros cuatro átomos, lo que lo convierte en el átomo más versátil de la Tierra, ya que puede formar moléculas diversas, grandes y complejas. Por ejemplo, un solo átomo de carbono puede formar cuatro enlaces covalentes simples como en el metano, dos enlaces covalentes dobles como en el dióxido de carbono ( CO 2), o un triple enlace covalente como en el monóxido de carbono (CO). Además, el carbono puede formar cadenas muy largas de enlaces carbono-carbono interconectados como el octano o estructuras en forma de anillo como la glucosa.

La forma más simple de una molécula orgánica es el hidrocarburo, que es una gran familia de compuestos orgánicos que se componen de átomos de hidrógeno unidos a una cadena de átomos de carbono. Una cadena principal de hidrocarburos puede ser sustituida por otros elementos como oxígeno (O), hidrógeno (H), fósforo (P) y azufre (S), que pueden cambiar el comportamiento químico de ese compuesto. Los grupos de átomos que contienen estos elementos (O-, H-, P- y S-) y están unidos a un átomo o esqueleto de carbono central se denominan grupos funcionales. Hay seis grupos funcionales prominentes que se pueden encontrar en los organismos: grupo amino, grupo carboxilo, grupo carbonilo, grupo hidroxilo, grupo fosfato y grupo sulfhidrilo.

En 1953, Stanley Miller y Harold Urey llevaron a cabo un experimento clásico (también conocido como el experimento de Miller-Urey ), que mostró que los compuestos orgánicos podían sintetizarse abióticamente dentro de un sistema cerrado que imitaba las condiciones de la Tierra primitiva, lo que los llevó a concluir que el complejo Las moléculas orgánicas podrían haber surgido espontáneamente en la Tierra primitiva, muy probablemente cerca de volcanes, y podrían tener parte de las primeras etapas de abiogénesis (u origen de la vida).

Macromoléculas

Más información: Bioquímica Una bicapa de fosfolípidos consta de dos láminas adyacentes de fosfolípidos, con las colas hidrófilas hacia adentro y las cabezas hidrófobas hacia afuera.

Las macromoléculas son moléculas grandes formadas por subunidades moleculares más pequeñas que se unen. Las moléculas pequeñas como azúcares, aminoácidos y nucleótidos pueden actuar como unidades únicas repetidas llamadas monómeros para formar moléculas en forma de cadena llamadas polímeros a través de un proceso químico llamado condensación. Por ejemplo, los aminoácidos pueden formar polipéptidos, mientras que los nucleótidos pueden formar cadenas de ácido nucleico. Los polímeros forman tres de las cuatro macromoléculas ( polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos ) que se encuentran en todos los organismos. Cada una de estas macromoléculas desempeña un papel especializado dentro de cualquier célula determinada.

Los carbohidratos (o azúcar ) son moléculas con la fórmula molecular (CH 2 O) n, siendo n el número de grupos hidrato de carbono. Incluyen monosacáridos (monómero), oligosacáridos (polímeros pequeños) y polisacáridos (polímeros grandes). Los monosacáridos pueden unirse mediante enlaces gliosídicos, un tipo de enlace covalente. Cuando dos monosacáridos como la glucosa y la fructosa se unen, pueden formar un disacárido como la sacarosa. Cuando se unen muchos monosacáridos, pueden formar un oligosacárido o un polisacárido, dependiendo del número de monosacáridos. Los polisacáridos pueden variar en función. Los monosacáridos como la glucosa pueden ser una fuente de energía y algunos polisacáridos pueden servir como material de almacenamiento que puede hidrolizarse para proporcionar azúcar a las células.

Los lípidos son la única clase de macromoléculas que no están formadas por polímeros. Los lípidos biológicamente más importantes son los esteroides, los fosfolípidos y las grasas. Estos lípidos son compuestos orgánicos que son en gran parte apolares e hidrófobos. Los esteroides son compuestos orgánicos que constan de cuatro anillos fusionados. Los fosfolípidos consisten en glicerol que está unido a un grupo fosfato y dos cadenas de hidrocarburos (o ácidos grasos ). El grupo glicerol y fosfato juntos constituyen la región polar e hidrófila (o de la cabeza) de la molécula, mientras que los ácidos grasos forman la región no polar e hidrófoba (o de la cola). Por lo tanto, cuando están en agua, los fosfolípidos tienden a formar una bicapa de fosfolípidos en la que las cabezas hidrófobas miran hacia afuera para interactuar con las moléculas de agua. Por el contrario, las colas hidrofóbicas miran hacia adentro hacia otras colas hidrofóbicas para evitar el contacto con el agua.

Las estructuras (a) primaria, (b) secundaria, (c) terciaria y (d) cuaternaria de una proteína de hemoglobina.

Las proteínas son las macromoléculas más diversas, que incluyen enzimas, proteínas de transporte, moléculas de señalización grandes, anticuerpos y proteínas estructurales. La unidad básica (o monómero) de una proteína es un aminoácido, que tiene un átomo de carbono central que está unido covalentemente a un átomo de hidrógeno, un grupo amino, un grupo carboxilo y una cadena lateral (o grupo R, "R "para residuos). Hay veinte aminoácidos que forman los componentes básicos de las proteínas, y cada aminoácido tiene su propia cadena lateral única. La polaridad y la carga de las cadenas laterales afectan la solubilidad de los aminoácidos. Un aminoácido con una cadena lateral polar y con carga eléctrica es soluble ya que es hidrófilo, mientras que un aminoácido con una cadena lateral que carece de un átomo cargado o electronegativo es hidrófobo y, por lo tanto, tiende a fusionarse en lugar de disolverse en agua. Las proteínas tienen cuatro niveles distintos de organización ( primario, secundario, terciario y cuaternario ). La estructura primaria consta de una secuencia única de aminoácidos que están unidos covalentemente por enlaces peptídicos. Las cadenas laterales de los aminoácidos individuales pueden interactuar entre sí, dando lugar a la estructura secundaria de una proteína. Los dos tipos comunes de estructuras secundarias son hélices alfa y hojas beta. El plegamiento de hélices alfa y láminas beta le da a una proteína su estructura tridimensional o terciaria. Finalmente, múltiples estructuras terciarias pueden combinarse para formar la estructura cuaternaria de una proteína.

Los ácidos nucleicos son polímeros formados por monómeros llamados nucleótidos. Su función es almacenar, transmitir y expresar información hereditaria. Los nucleótidos constan de un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos y una base nitrogenada. Los ribonucleótidos, que contienen ribosa como azúcar, son los monómeros del ácido ribonucleico (ARN). Por el contrario, los desoxirribonucleótidos contienen desoxirribosa como azúcar y constituyen los monómeros del ácido desoxirribonucleico (ADN). El ARN y el ADN también difieren con respecto a una de sus bases. Hay dos tipos de bases: purinas y pirimidinas. Las purinas incluyen guanina (G) y adenina (A), mientras que las pirimidinas consisten en citosina (T), uracilo (U) y timina (T). El uracilo se usa en el ARN, mientras que la timina se usa en el ADN. En conjunto, cuando se tienen en cuenta los diferentes azúcares y bases, hay ocho nucleótidos distintos que pueden formar dos tipos de ácidos nucleicos: ADN (A, G, C y T) y ARN (A, G, C y U).).

Células

Más información: Biología celular

La teoría celular establece que las células son las unidades fundamentales de la vida, que todos los seres vivos están compuestos por una o más células y que todas las células surgen de células preexistentes a través de la división celular. La mayoría de las células son muy pequeñas, con diámetros que van de 1 a 100  micrómetros y por lo tanto son accesibles solamente bajo una luz o de microscopio electrónico. Generalmente hay dos tipos de células: células eucariotas, que contienen un núcleo, y células procariotas, que no lo tienen. Los procariotas son organismos unicelulares como las bacterias, mientras que los eucariotas pueden ser unicelulares o multicelulares. En los organismos multicelulares, cada célula del cuerpo del organismo se deriva en última instancia de una sola célula en un óvulo fertilizado.

Estructura celular

Estructura de una célula animal que representa varios orgánulos.

Cada célula está encerrada dentro de una membrana celular que separa su citoplasma del espacio extracelular. Una membrana celular consta de una bicapa lipídica, que incluye colesteroles que se asientan entre los fosfolípidos para mantener su fluidez a diversas temperaturas. Las membranas celulares son semipermeables, lo que permite el paso de pequeñas moléculas como el oxígeno, el dióxido de carbono y el agua, al tiempo que restringe el movimiento de moléculas más grandes y partículas cargadas como los iones. Las membranas celulares también contienen proteínas de membrana, incluidas proteínas de membrana integrales que atraviesan la membrana y sirven como transportadores de membrana, y proteínas periféricas que se adhieren libremente al lado externo de la membrana celular, actuando como enzimas que dan forma a la célula. Las membranas celulares están involucradas en varios procesos celulares, como la adhesión celular, el almacenamiento de energía eléctrica y la señalización celular, y sirven como superficie de unión para varias estructuras extracelulares, como la pared celular, el glucocáliz y el citoesqueleto.

Estructura de una célula vegetal

Dentro del citoplasma de una célula, hay muchas biomoléculas como proteínas y ácidos nucleicos. Además de las biomoléculas, las células eucariotas tienen estructuras especializadas llamadas orgánulos que tienen sus propias bicapas lipídicas o son unidades espaciales. Estos orgánulos incluyen el núcleo celular, que contiene la mayor parte del ADN de la célula, o las mitocondrias, que genera trifosfato de adenosina (ATP) para impulsar los procesos celulares. Otros orgánulos como el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi juegan un papel en la síntesis y empaquetamiento de proteínas, respectivamente. Las biomoléculas, como las proteínas, pueden ser engullidas por lisosomas, otro orgánulo especializado. Las células vegetales tienen orgánulos adicionales que las distinguen de las células animales, como una pared celular que brinda apoyo a la célula vegetal, cloroplastos que recolectan la energía de la luz solar para producir azúcar y vacuolas que brindan almacenamiento y soporte estructural, además de estar involucradas en la reproducción y descomposición. de semillas de plantas. Las células eucariotas también tienen un citoesqueleto que está formado por microtúbulos, filamentos intermedios y microfilamentos, todos los cuales brindan soporte a la célula y participan en el movimiento de la célula y sus orgánulos. En cuanto a su composición estructural, los microtúbulos están formados por tubulina (p. Ej., Α-tubulina y β-tubulina, mientras que los filamentos intermedios están formados por proteínas fibrosas. Los microfilamentos están formados por moléculas de actina que interactúan con otras cadenas de proteínas.

Metabolismo

Más información: Bioenergética Ejemplo de una reacción exotérmica catalizada por enzimas

Todas las células requieren energía para mantener los procesos celulares. La energía es la capacidad de realizar un trabajo que, en termodinámica, se puede calcular utilizando energía libre de Gibbs. Según la primera ley de la termodinámica, la energía se conserva, es decir, no se puede crear ni destruir. Por lo tanto, las reacciones químicas en una célula no crean nueva energía, sino que participan en la transformación y transferencia de energía. Sin embargo, todas las transferencias de energía conducen a una cierta pérdida de energía utilizable, lo que aumenta la entropía (o el estado de desorden) como lo establece la segunda ley de la termodinámica. Como resultado, un organismo requiere un aporte continuo de energía para mantener un estado bajo de entropía. En las células, la energía puede transferirse como electrones durante las reacciones redox (reducción-oxidación), almacenarse en enlaces covalentes y generarse por el movimiento de iones (p. Ej., Hidrógeno, sodio, potasio) a través de una membrana.

El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que sustentan la vida en los organismos. Los tres propósitos principales del metabolismo son: la conversión de alimentos en energía para ejecutar procesos celulares; la conversión de alimentos / combustible en componentes básicos para proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y algunos carbohidratos ; y la eliminación de desechos metabólicos. Estas enzimas reacciones catalizada permiten a los organismos crecer y reproducirse, mantener sus estructuras y responder a su medio ambiente. Las reacciones metabólicas pueden clasificarse como catabólicas : la descomposición de compuestos (por ejemplo, la descomposición de la glucosa en piruvato mediante la respiración celular ); o anabólico : la formación ( síntesis ) de compuestos (como proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos). Por lo general, el catabolismo libera energía y el anabolismo consume energía.

Las reacciones químicas del metabolismo se organizan en vías metabólicas, en las que una sustancia química se transforma a través de una serie de pasos en otra sustancia química, cada paso es facilitado por una enzima específica. Las enzimas son cruciales para el metabolismo porque permiten que los organismos impulsen reacciones deseables que requieren energía que no ocurrirán por sí mismos, al acoplarlas a reacciones espontáneas que liberan energía. Las enzimas actúan como catalizadores (permiten que una reacción se desarrolle más rápidamente sin ser consumidas por ella) al reducir la cantidad de energía de activación necesaria para convertir los reactivos en productos. Las enzimas también permiten la regulación de la velocidad de una reacción metabólica, por ejemplo, en respuesta a cambios en el entorno celular o a señales de otras células.

Respiración celular

Respiración en una célula eucariota

La respiración celular es un conjunto de reacciones y procesos metabólicos que tienen lugar en las células de los organismos para convertir la energía química de los nutrientes en trifosfato de adenosina (ATP) y luego liberar productos de desecho. Las reacciones involucradas en la respiración son reacciones catabólicas, que rompen moléculas grandes en otras más pequeñas, liberando energía porque los enlaces débiles de alta energía, en particular en el oxígeno molecular, son reemplazados por enlaces más fuertes en los productos. La respiración es una de las formas clave en que una célula libera energía química para impulsar la actividad celular. La reacción general ocurre en una serie de pasos bioquímicos, algunos de los cuales son reacciones redox. Aunque la respiración celular es técnicamente una reacción de combustión, claramente no se parece a una cuando ocurre en una célula debido a la liberación lenta y controlada de energía de la serie de reacciones.

El azúcar en forma de glucosa es el principal nutriente utilizado por las células animales y vegetales en la respiración. La respiración celular que involucra oxígeno se llama respiración aeróbica, que tiene cuatro etapas: glucólisis, ciclo del ácido cítrico (o ciclo de Krebs), cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa. La glucólisis es un proceso metabólico que ocurre en el citoplasma mediante el cual la glucosa se convierte en dos piruvatos, produciéndose dos moléculas netas de ATP al mismo tiempo. Luego, cada piruvato se oxida en acetil-CoA por el complejo de piruvato deshidrogenasa, que también genera NADH y dióxido de carbono. Acetil-Coa entra en el ciclo del ácido cítrico, que tiene lugar dentro de la matriz mitocondrial. Al final del ciclo, el rendimiento total de 1 glucosa (o 2 piruvatos) es de 6 moléculas de NADH, 2 FADH 2 y 2 moléculas de ATP. Finalmente, la siguiente etapa es la fosforilación oxidativa, que en eucariotas ocurre en las crestas mitocondriales. La fosforilación oxidativa comprende la cadena de transporte de electrones, que es una serie de cuatro complejos de proteínas que transfieren electrones de un complejo a otro, liberando así energía de NADH y FADH 2 que se acopla al bombeo de protones (iones de hidrógeno) a través de la membrana mitocondrial interna. ( quimiosmosis ), que genera una fuerza motriz de protones. La energía de la fuerza motriz del protón impulsa a la enzima ATP sintasa a sintetizar más ATP mediante la fosforilación de ADP. La transferencia de electrones termina siendo el oxígeno molecular el aceptor final de electrones.

Si el oxígeno no estuviera presente, el piruvato no sería metabolizado por la respiración celular sino que se somete a un proceso de fermentación. El piruvato no se transporta a la mitocondria, sino que permanece en el citoplasma, donde se convierte en productos de desecho que pueden eliminarse de la célula. Esto sirve para oxidar los portadores de electrones para que puedan realizar nuevamente la glucólisis y eliminar el exceso de piruvato. La fermentación oxida el NADH a NAD ⁺ para que pueda reutilizarse en la glucólisis. En ausencia de oxígeno, la fermentación evita la acumulación de NADH en el citoplasma y proporciona NAD ⁺ para la glucólisis. Este producto de desecho varía según el organismo. En los músculos esqueléticos, el producto de desecho es el ácido láctico. Este tipo de fermentación se llama fermentación del ácido láctico. En el ejercicio extenuante, cuando las demandas de energía superan el suministro de energía, la cadena respiratoria no puede procesar todos los átomos de hidrógeno unidos por NADH. Durante la glucólisis anaeróbica, NAD ^{+ se} regenera cuando pares de hidrógeno se combinan con piruvato para formar lactato. La formación de lactato es catalizada por lactato deshidrogenasa en una reacción reversible. El lactato también se puede utilizar como precursor indirecto del glucógeno hepático. Durante la recuperación, cuando el oxígeno está disponible, el NAD ^{+ se} une al hidrógeno del lactato para formar ATP. En la levadura, los productos de desecho son etanol y dióxido de carbono. Este tipo de fermentación se conoce como fermentación alcohólica o etanólica. El ATP generado en este proceso se produce mediante fosforilación a nivel de sustrato, que no requiere oxígeno.

Fotosíntesis

La fotosíntesis convierte la luz solar en energía química, divide el agua para liberar O 2 y fija el CO 2 en azúcar.

La fotosíntesis es un proceso utilizado por las plantas y otros organismos para convertir la energía luminosa en energía química que luego puede liberarse para alimentar las actividades metabólicas del organismo a través de la respiración celular. Esta energía química se almacena en moléculas de carbohidratos, como los azúcares, que se sintetizan a partir del dióxido de carbono y el agua. En la mayoría de los casos, el oxígeno también se libera como producto de desecho. La mayoría de las plantas, algas y cianobacterias realizan la fotosíntesis, que es en gran parte responsable de producir y mantener el contenido de oxígeno de la atmósfera terrestre y suministra la mayor parte de la energía necesaria para la vida en la Tierra.

La fotosíntesis tiene cuatro etapas: absorción de luz, transporte de electrones, síntesis de ATP y fijación de carbono. La absorción de luz es el paso inicial de la fotosíntesis mediante el cual la energía de la luz es absorbida por los pigmentos de clorofila adheridos a las proteínas en las membranas tilacoides. La energía de la luz absorbida se usa para eliminar electrones de un donante (agua) a un aceptor de electrones primario, una quinona designada como Q. En la segunda etapa, los electrones se mueven desde el aceptor de electrones primario de quinona a través de una serie de portadores de electrones hasta que alcanzan un aceptor final de electrones, que suele ser la forma oxidada de NADP ⁺, que se reduce a NADPH, un proceso que tiene lugar en un complejo proteico llamado fotosistema I (PSI). El transporte de electrones está acoplado al movimiento de protones (o hidrógeno) desde el estroma a la membrana tilacoide, que forma un gradiente de pH a través de la membrana a medida que el hidrógeno se concentra más en la luz que en el estroma. Esto es análogo a la fuerza motriz de protones generada a través de la membrana mitocondrial interna en la respiración aeróbica.

Durante la tercera etapa de la fotosíntesis, el movimiento de los protones hacia abajo en sus gradientes de concentración desde la luz del tilacoide hasta el estroma a través de la ATP sintasa se acopla a la síntesis de ATP por esa misma ATP sintasa. El NADPH y los ATP generados por las reacciones dependientes de la luz en la segunda y tercera etapas, respectivamente, proporcionan la energía y los electrones para impulsar la síntesis de glucosa al fijar el dióxido de carbono atmosférico en compuestos orgánicos de carbono existentes, como el bisfosfato de ribulosa (RuBP) en una secuencia de reacciones independientes de la luz (u oscuridad) llamada ciclo de Calvin.

Señal telefónica

La comunicación celular (o señalización ) es la capacidad de las células para recibir, procesar y transmitir señales con su entorno y consigo mismas. Las señales pueden ser no químicas, como la luz, los impulsos eléctricos y el calor, o señales químicas (o ligandos ) que interactúan con los receptores, que se pueden encontrar incrustados en la membrana celular de otra célula o ubicados en el interior de una célula. Generalmente hay cuatro tipos de señales químicas: autocrinas, paracrinas, yuxtacrinas y hormonas. En la señalización autocrina, el ligando afecta a la misma célula que lo libera. Las células tumorales, por ejemplo, pueden reproducirse incontrolablemente porque liberan señales que inician su propia división. En la señalización paracrina, el ligando se difunde a las células cercanas y las afecta. Por ejemplo, las células cerebrales llamadas neuronas liberan ligandos llamados neurotransmisores que se difunden a través de una hendidura sináptica para unirse con un receptor en una célula adyacente, como otra neurona o célula muscular. En la señalización yuxtacrina, existe un contacto directo entre las células de señalización y respuesta. Finalmente, las hormonas son ligandos que viajan a través de los sistemas circulatorios de los animales o los sistemas vasculares de las plantas para llegar a sus células diana. Una vez que un ligando se une a un receptor, puede influir en el comportamiento de otra célula, según el tipo de receptor. Por ejemplo, los neurotransmisores que se unen a un receptor inotrópico pueden alterar la excitabilidad de una célula diana. Otros tipos de receptores incluyen proteína quinasa receptores (por ejemplo, receptor de la hormona insulina ) y los receptores acoplados a proteína G. La activación de receptores acoplados a proteína G puede iniciar cascadas de segundos mensajeros. El proceso por el cual una señal química o física se transmite a través de una célula como una serie de eventos moleculares se llama transducción de señales.

Ciclo celular

En la meiosis, los cromosomas se duplican y los cromosomas homólogos intercambian información genética durante la meiosis I. Las células hijas se dividen nuevamente en la meiosis II para formar gametos haploides.

El ciclo celular es una serie de eventos que tienen lugar en una célula y hacen que se divida en dos células hijas. Estos eventos incluyen la duplicación de su ADN y algunos de sus orgánulos, y la subsecuente división de su citoplasma en dos células hijas en un proceso llamado división celular. En eucariotas (es decir, células animales, vegetales, fúngicas y protistas ), hay dos tipos distintos de división celular: mitosis y meiosis. La mitosis es parte del ciclo celular, en el que los cromosomas replicados se separan en dos nuevos núcleos. La división celular da lugar a células genéticamente idénticas en las que se mantiene el número total de cromosomas. En general, la mitosis (división del núcleo) está precedida por la etapa S de la interfase (durante la cual se replica el ADN) y a menudo es seguida por la telofase y la citocinesis ; que divide el citoplasma, los orgánulos y la membrana celular de una célula en dos nuevas células que contienen proporciones aproximadamente iguales de estos componentes celulares. Todas las diferentes etapas de la mitosis definen la fase mitótica de un ciclo celular animal: la división de la célula madre en dos células hijas genéticamente idénticas. El ciclo celular es un proceso vital mediante el cual un óvulo fecundado unicelular se convierte en un organismo maduro, así como el proceso mediante el cual se renuevan el cabello, la piel, las células sanguíneas y algunos órganos internos. Después de la división celular, cada una de las células hijas comienza la interfase de un nuevo ciclo. En contraste con la mitosis, la meiosis da como resultado cuatro células hijas haploides al someterse a una ronda de replicación del ADN seguida de dos divisiones. Los cromosomas homólogos se separan en la primera división ( meiosis I ) y las cromátidas hermanas se separan en la segunda división ( meiosis II ). Ambos ciclos de división celular se utilizan en el proceso de reproducción sexual en algún momento de su ciclo de vida. Se cree que ambos están presentes en el último ancestro común eucariota.

Los procariotas (es decir, arqueas y bacterias ) también pueden sufrir división celular (o fisión binaria ). A diferencia de los procesos de mitosis y meiosis en eucariotas, la fisión binaria en procariotas tiene lugar sin la formación de un aparato fusiforme en la célula. Antes de la fisión binaria, el ADN de la bacteria está firmemente enrollado. Una vez que se ha desenrollado y duplicado, se tira hacia los polos separados de la bacteria a medida que aumenta el tamaño para prepararse para la división. El crecimiento de una nueva pared celular comienza a separar la bacteria (desencadenada por la polimerización FtsZ y la formación del "anillo Z"). La nueva pared celular ( tabique ) se desarrolla completamente, lo que resulta en la división completa de la bacteria. Las nuevas células hijas tienen bastones de ADN, ribosomas y plásmidos muy enrollados.

Genética

Herencia

Más información: Genética clásica Cuadrado de Punnett que representa un cruce entre dos plantas de guisantes heterocigotas para flores púrpuras (B) y blancas (b).

La genética es el estudio científico de la herencia. La herencia mendeliana, específicamente, es el proceso por el cual los genes y rasgos se transmiten de padres a hijos. Fue formulado por Gregor Mendel, basado en su trabajo con plantas de guisantes a mediados del siglo XIX. Mendel estableció varios principios de herencia. La primera es que las características genéticas, que ahora se denominan alelos, son discretas y tienen formas alternas (p. Ej., Púrpura frente a blanco o alto frente a enano), cada una heredada de uno de los dos padres. Basado en su ley de dominancia y uniformidad, que establece que algunos alelos son dominantes mientras que otros son recesivos ; un organismo con al menos un alelo dominante mostrará el fenotipo de ese alelo dominante. Las excepciones a esta regla incluyen la penetrancia y la expresividad. Mendel notó que durante la formación de los gametos, los alelos de cada gen se segregan entre sí, de modo que cada gameto lleva solo un alelo para cada gen, lo cual está establecido por su ley de segregación. Los individuos heterocigóticos producen gametos con la misma frecuencia de dos alelos. Finalmente, Mendel formuló la ley del surtido independiente, que establece que los genes de diferentes rasgos pueden segregarse de forma independiente durante la formación de gametos, es decir, los genes están desvinculados. Una excepción a esta regla incluiría rasgos relacionados con el sexo. Se pueden realizar cruces de prueba para determinar experimentalmente el genotipo subyacente de un organismo con un fenotipo dominante. Se puede usar un cuadrado de Punnett para predecir los resultados de un cruce de prueba. La teoría de la herencia cromosómica, que establece que los genes se encuentran en los cromosomas, fue apoyada por los experimentos de Thomas Morgans con moscas de la fruta, que establecieron el vínculo sexual entre el color de ojos y el sexo en estos insectos. En humanos y otros mamíferos (por ejemplo, perros), no es factible ni práctico realizar experimentos cruzados de prueba. En cambio, los pedigríes, que son representaciones genéticas de árboles genealógicos, se utilizan en cambio para rastrear la herencia de un rasgo o enfermedad específica a través de múltiples generaciones.

ADN

Las bases se encuentran entre dos hebras de ADN en espiral.

Un gen es una unidad hereditaria que corresponde a una región de ácido desoxirribonucleico ( ADN ) que transporta información genética que influye en la forma o función de un organismo de formas específicas. El ADN es una molécula compuesta por dos cadenas de polinucleótidos que se enrollan entre sí para formar una doble hélice, que fue descrita por primera vez por James Watson y Francis Crick en 1953. Se encuentra como cromosomas lineales en eucariotas y cromosomas circulares en procariotas. Un cromosoma es una estructura organizada que consta de ADN e histonas. El conjunto de cromosomas en una célula y cualquier otra información hereditaria que se encuentre en las mitocondrias, cloroplastos u otras ubicaciones se conoce colectivamente como genoma de una célula. En eucariotas, el ADN genómico se localiza en el núcleo celular, o en pequeñas cantidades en mitocondrias y cloroplastos. En los procariotas, el ADN se mantiene dentro de un cuerpo de forma irregular en el citoplasma llamado nucleoide. La información genética de un genoma se encuentra dentro de los genes, y el conjunto completo de esta información en un organismo se denomina genotipo. Los genes codifican la información que necesitan las células para la síntesis de proteínas, que a su vez juegan un papel central al influir en el fenotipo final del organismo.

Las dos cadenas de polinucleótidos que forman el ADN corren en direcciones opuestas entre sí y, por lo tanto, son antiparalelas. Cada hebra está compuesta de nucleótidos, y cada nucleótido contiene una de cuatro bases nitrogenadas ( citosina [C], guanina [G], adenina [A] o timina [T]), un azúcar llamado desoxirribosa y un grupo fosfato. Los nucleótidos se unen entre sí en una cadena mediante enlaces covalentes entre el azúcar de un nucleótido y el fosfato del siguiente, lo que da como resultado un esqueleto alterno de azúcar y fosfato. Es la secuencia de estas cuatro bases a lo largo de la columna vertebral la que codifica la información genética. Las bases de las dos cadenas de polinucleótidos están unidas por enlaces de hidrógeno, de acuerdo con las reglas de emparejamiento de bases (A con T y C con G), para formar ADN de doble cadena. Las bases se dividen en dos grupos: pirimidinas y purinas. En el ADN, las pirimidinas son timina y citosina, mientras que las purinas son adenina y guanina.

Hay surcos que corren a lo largo de toda la longitud de la doble hélice debido al espaciado desigual de las hebras de ADN entre sí. Ambos surcos difieren en tamaño, siendo el surco mayor más grande y, por lo tanto, más accesible a la unión de proteínas que el surco menor. Los bordes exteriores de las bases están expuestos a estas ranuras y, por lo tanto, son accesibles para enlaces de hidrógeno adicionales. Debido a que cada surco puede tener dos posibles configuraciones de pares de bases (GC y AT), hay cuatro posibles configuraciones de pares de bases dentro de toda la doble hélice, cada una de las cuales es químicamente distinta de la otra. Como resultado, las moléculas de proteína son capaces de reconocer y unirse a secuencias de pares de bases específicas, que es la base de interacciones específicas de ADN-proteína.

La replicación del ADN es un proceso semiconservador mediante el cual cada hebra sirve como plantilla para una nueva hebra de ADN. El proceso comienza con el desenrollado de la doble hélice en un origen de replicación, que separa las dos hebras y las hace disponibles como dos plantillas. A continuación, le sigue la unión de la enzima primasa a la plantilla para sintetizar una cadena de ARN (o ADN en algunos virus) iniciadora llamada cebador desde la ubicación 5 'a 3'. Una vez que se completa el cebador, la primasa se libera del molde, seguido de la unión de la enzima ADN polimerasa al mismo molde para sintetizar nuevo ADN.

La replicación del ADN no es perfecta ya que la ADN polimerasa a veces inserta bases que no son complementarias a la plantilla (por ejemplo, colocando A en la hebra opuesta a G en la hebra plantilla). En eucariotas, el error inicial o la tasa de mutación es de aproximadamente 1 en 100.000. La corrección y la reparación de desajustes son los dos mecanismos que reparan estos errores, lo que reduce la tasa de mutación a 10 ^-10, particularmente antes y después de un ciclo celular.

Las mutaciones son cambios hereditarios en el ADN. Pueden surgir espontáneamente como resultado de errores de replicación que no se corrigieron mediante la corrección de pruebas o pueden ser inducidos por un mutágeno ambiental como una sustancia química (p. Ej., Ácido nitroso, benzopireno ) o radiación (p. Ej., Rayos X, rayos gamma, radiación ultravioleta, partículas emitidas por isótopos inestables). Las mutaciones pueden aparecer como un cambio en una sola base o en una escala mayor que implica mutaciones cromosómicas como deleciones, inversiones o translocaciones.

En organismos multicelulares, pueden ocurrir mutaciones en células somáticas o de línea germinal. En las células somáticas, las mutaciones se transmiten a las células hijas durante la mitosis. En una célula de la línea germinal, como un espermatozoide o un óvulo, la mutación aparecerá en un organismo en el momento de la fertilización. Las mutaciones pueden dar lugar a varios tipos de efectos fenotípicos, como mutaciones silenciosas, de pérdida de función, de ganancia de función y condicionales.

Algunas mutaciones pueden ser beneficiosas, ya que son una fuente de variación genética para la evolución. Otros pueden ser dañinos si resultaran en la pérdida de la función de los genes necesarios para la supervivencia. Los mutágenos como los carcinógenos generalmente se evitan como una cuestión de objetivos de política de salud pública. Un ejemplo es la prohibición de los clorofluorocarbonos (CFC) por el Protocolo de Montreal, ya que los CFC tienden a agotar la capa de ozono, lo que genera más radiación ultravioleta del sol que atraviesa la atmósfera superior de la Tierra, lo que provoca mutaciones somáticas que pueden provocar cáncer de piel. De manera similar, se han aplicado prohibiciones de fumar en todo el mundo en un esfuerzo por reducir la incidencia del cáncer de pulmón.

La expresion genica

El dogma central extendido de la biología molecular incluye todos los procesos involucrados en el flujo de información genética.

La expresión genética es el proceso molecular mediante el cual un genotipo da lugar a un fenotipo, es decir, un rasgo observable. La información genética almacenada en el ADN representa el genotipo, mientras que el fenotipo resulta de la síntesis de proteínas que controlan la estructura y el desarrollo de un organismo, o que actúan como enzimas que catalizan vías metabólicas específicas. Este proceso se resume en el dogma central de la biología molecular, que fue formulado por Francis Crick en 1958. Según el Dogma Central, la información genética fluye del ADN al ARN y a la proteína. Por tanto, existen dos procesos de expresión génica: transcripción (ADN a ARN) y traducción (ARN a proteína). Estos procesos son utilizados por todos los seres vivos, eucariotas (incluidos los organismos multicelulares ), procariotas ( bacterias y arqueas ) y son explotados por virus, para generar la maquinaria macromolecular para la vida.

Durante la transcripción, se crean cadenas de ARN mensajero (ARNm) utilizando cadenas de ADN como plantilla, que se inicia cuando la ARN polimerasa se une a una secuencia de ADN llamada promotor, que indica al ARN que comience la transcripción de una de las dos cadenas de ADN. Las bases de ADN se intercambian por sus bases correspondientes excepto en el caso de la timina (T), para la cual el ARN sustituye al uracilo (U). En eucariotas, una gran parte de ADN (por ejemplo,gt; 98% en los seres humanos) contiene no codificantes llamadas intrones, que no sirven como las pautas de las secuencias de proteínas. Las regiones codificantes o exones se intercalan junto con los intrones en la transcripción primaria (o pre-ARNm). Antes de la traducción, el pre-ARNm se somete a un procesamiento adicional mediante el cual los intrones se eliminan (o empalman), dejando solo los exones empalmados en la hebra de ARNm madura.

La traducción de ARNm a proteína ocurre en los ribosomas, por lo que la cadena de ARNm transcrita especifica la secuencia de aminoácidos dentro de las proteínas usando el código genético. Los productos génicos son a menudo proteínas, pero en genes que no codifican proteínas, como el ARN de transferencia (ARNt) y el ARN nuclear pequeño (ARNnn), el producto es un ARN funcional no codificante.

Regulación genética

Regulación de varias etapas de la expresión génica.

La regulación de la expresión génica (o regulación génica) por factores ambientales y durante diferentes etapas de desarrollo puede ocurrir en cada paso del proceso, como la transcripción, el corte y empalme del ARN, la traducción y la modificación postraduccional de una proteína.

La capacidad de regulación de la transcripción genética permite la conservación de la energía, ya que las células solo producirán proteínas cuando sea necesario. La expresión génica puede verse influenciada por la regulación positiva o negativa, dependiendo de cuál de los dos tipos de proteínas reguladoras llamadas factores de transcripción se unen a la secuencia de ADN cerca o en un promotor. Un grupo de genes que comparten el mismo promotor se denomina operón y se encuentra principalmente en procariotas y algunos eucariotas inferiores (p. Ej., Caenorhabditis elegans ). Fue identificado por primera vez en Escherichia coli, una célula procariota que se puede encontrar en los intestinos de humanos y otros animales, en la década de 1960 por François Jacob y Jacques Monod. Estudiaron el operón lac de la célula procariota, que es parte de tres genes ( lacZ, lacY y lacA) que codifican tres enzimas metabolizadoras de lactosa ( β-galactosidasa, β-galactósido permeasa y β-galactósido transacetilasa ). En la regulación positiva de la expresión génica, el activador es el factor de transcripción que estimula la transcripción cuando se une a la secuencia cercana o en el promotor. En contraste, la regulación negativa ocurre cuando otro factor de transcripción llamado represor se une a una secuencia de ADN llamada operador, que es parte de un operón, para prevenir la transcripción. Cuando un represor se une a un operón reprimible (p. Ej., Operón trp ), lo hace solo en presencia de un correpresor. Los represores pueden inhibirse mediante compuestos llamados inductores (p. Ej., Alolactosa ), que ejercen sus efectos al unirse a un represor para evitar que se una a un operador, lo que permite que se produzca la transcripción. Los genes específicos que se pueden activar por inductores son llamados genes inducibles (por ejemplo, lacZ o lacA en E. coli), que están en contraste con genes constitutivos que son casi siempre activo. A diferencia de ambos, los genes estructurales codifican proteínas que no participan en la regulación génica.

En las células procariotas, la transcripción está regulada por proteínas llamadas factores sigma, que se unen a la ARN polimerasa y la dirigen a promotores específicos. De manera similar, los factores de transcripción en las células eucariotas también pueden coordinar la expresión de un grupo de genes, incluso si los genes mismos están ubicados en diferentes cromosomas. La coordinación de estos genes puede ocurrir siempre que compartan la misma secuencia de ADN reguladora que se unen a los mismos factores de transcripción. Los promotores en las células eucariotas son más diversos pero tienden a contener una secuencia central a la que se puede unir la ARN polimerasa, siendo la secuencia más común la caja TATA, que contiene múltiples bases A y T repetidas. Específicamente, la ARN polimerasa II es la ARN polimerasa que se une a un promotor para iniciar la transcripción de genes que codifican proteínas en eucariotas, pero solo en presencia de múltiples factores de transcripción generales, que son distintos de los factores de transcripción que tienen efectos reguladores, es decir, activadores y represores. En las células eucariotas, las secuencias de ADN que se unen a los activadores se denominan potenciadores, mientras que las secuencias que se unen a los represores se denominan silenciadores. Los factores de transcripción como el factor nuclear de las células T activadas (NFAT) son capaces de identificar una secuencia de nucleótidos específica basada en la secuencia de bases (p. Ej., CGAGGAAAATTG para NFAT) del sitio de unión, que determina la disposición de los grupos químicos dentro de esa secuencia que permite interacciones específicas de ADN-proteína. La expresión de factores de transcripción es lo que subyace a la diferenciación celular en un embrión en desarrollo.

Además de los eventos reguladores que involucran al promotor, la expresión génica también puede regularse mediante cambios epigenéticos en la cromatina, que es un complejo de ADN y proteína que se encuentra en las células eucariotas.

El control postranscripcional del ARNm puede implicar el corte y empalme alternativo de las transcripciones del ARNm primario, lo que da como resultado un único gen que da lugar a diferentes ARNm maduros que codifican una familia de proteínas diferentes. Un ejemplo bien estudiado es el gen Sxl en Drosophila, que determina el sexo en estos animales. El gen en sí contiene cuatro exones y el corte y empalme alternativo de su transcrito de pre-ARNm puede generar dos formas activas de la proteína Sxl en moscas hembras y una en forma inactiva de la proteína en los machos. Otro ejemplo es el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), que tiene una única transcripción de pre-ARNm que puede generar hasta nueve proteínas como resultado de un empalme alternativo. En los seres humanos, el ochenta por ciento de los 21.000 genes se empalman alternativamente. Dado que tanto los chimpancés como los humanos tienen un número similar de genes, se cree que el empalme alternativo podría haber contribuido a la complejidad de este último debido al mayor número de empalmes alternativos en el cerebro humano que en el cerebro de los chimpancés.

La traducción se puede regular de tres formas conocidas, una de las cuales implica la unión de pequeñas moléculas de ARN llamadas microARN (miARN) a una transcripción de ARNm diana, que inhibe su traducción y hace que se degrade. La traducción también puede inhibirse mediante la modificación de la tapa 5 'sustituyendo el trifosfato de guanosina modificado (GTP) en el extremo 5' de un ARNm por una molécula de GTP no modificada. Por último, las proteínas represoras de la traducción pueden unirse a los ARNm y evitar que se unan a un ribosoma, bloqueando así la traducción.

Una vez traducidas, la estabilidad de las proteínas se puede regular si se dirigen a la degradación. Un ejemplo común es cuando una enzima une una proteína reguladora llamada ubiquitina al residuo de lisina de una proteína objetivo. Luego, otras ubiquitinas se unen a la ubiquitina primaria para formar una proteína poliubiquitinada, que luego ingresa a un complejo proteico mucho más grande llamado proteasoma. Una vez que la proteína poliubiquitinada ingresa al proteasoma, la poliubiquitina se desprende de la proteína diana, que es desplegada por el proteasoma de una manera dependiente de ATP, lo que permite que sea hidrolizada por tres proteasas.

Genomas

Más información: Genómica Composición del genoma humano

Un genoma es el conjunto completo de ADN de un organismo, incluidos todos sus genes. La secuenciación y el análisis de genomas se pueden realizar mediante secuenciación de ADN de alto rendimiento y bioinformática para ensamblar y analizar la función y estructura de genomas completos. Los genomas de los procariotas son pequeños, compactos y diversos. Por el contrario, los genomas de los eucariotas son más grandes y complejos, por lo que tienen más secuencias reguladoras y gran parte de su genoma está formado por secuencias de ADN no codificantes para ARN funcional ( ARNr, ARNt y ARNm ) o secuencias reguladoras. Se han secuenciado los genomas de varios organismos modelo como arabidopsis, mosca de la fruta, ratones, nematodos y levaduras. El Proyecto del Genoma Humano fue una empresa importante de la comunidad científica internacional para secuenciar todo el genoma humano, que se completó en 2003. La secuenciación del genoma humano ha dado lugar a aplicaciones prácticas como la toma de huellas dactilares de ADN, que se puede utilizar para pruebas de paternidad y análisis forense.. En medicina, la secuenciación de todo el genoma humano ha permitido la identificación de mutaciones que causan tumores, así como genes que causan un trastorno genético específico. La secuenciación de genomas de varios organismos ha dado lugar a la aparición de la genómica comparativa, cuyo objetivo es establecer comparaciones de genes de los genomas de esos diferentes organismos.

Muchos genes codifican más de una proteína, con modificaciones postraduccionales que aumentan la diversidad de proteínas dentro de una célula. El proteoma de un organismo es su conjunto completo de proteínas expresadas por su genoma y la proteómica busca estudiar el conjunto completo de proteínas producidas por un organismo. Debido a que muchas proteínas son enzimas, sus actividades tienden a afectar las concentraciones de sustratos y productos. Por lo tanto, a medida que cambia el proteoma, también lo hace la cantidad de moléculas pequeñas o metabolitos. El conjunto completo de moléculas pequeñas en una célula u organismo se denomina metaboloma y la metabolómica es el estudio del metaboloma en relación con la actividad fisiológica de una célula u organismo.

Biotecnología

Más información: Biología molecular Construcción de ADN recombinante, en el que se inserta un fragmento de ADN extraño en un vector plasmídico.

La biotecnología es el uso de células u organismos para desarrollar productos para humanos. Una tecnología comúnmente utilizada con amplias aplicaciones es la creación de ADN recombinante, que es una molécula de ADN ensamblada a partir de dos o más fuentes en un laboratorio. Antes del advenimiento de la reacción en cadena de la polimerasa, los biólogos manipulaban el ADN cortándolo en fragmentos más pequeños utilizando enzimas de restricción. Luego purificarían y analizarían los fragmentos usando electroforesis en gel y luego recombinarían los fragmentos en una nueva secuencia de ADN usando ADN ligasa. Luego, el ADN recombinante se clona insertándolo en una célula huésped, un proceso conocido como transformación si las células huésped eran bacterias como E. coli, o transfección si las células huésped eran células eucariotas como células de levadura, plantas o animales. Una vez que la célula u organismo huésped ha recibido e integrado el ADN recombinante, se describe como transgénico.

Un ADN recombinante se puede insertar de dos formas. Un método común es simplemente insertar el ADN en un cromosoma huésped, siendo el sitio de inserción aleatorio. Otro enfoque sería insertar el ADN recombinante como parte de otra secuencia de ADN llamada vector, que luego se integra en el cromosoma del hospedador o tiene su propio origen de replicación del ADN, lo que permite replicar independientemente del cromosoma del hospedador. Los plásmidos de células bacterianas como E. coli se usan típicamente como vectores debido a su tamaño relativamente pequeño (por ejemplo, 2000-6000 pares de bases en E. coli), presencia de enzimas de restricción, genes que son resistentes a antibióticos y presencia de un origen de la replicación. También se incorpora al vector un gen que codifica un marcador seleccionable, como la resistencia a antibióticos. La inclusión de este mercado permite la selección de solo aquellas células huésped que contenían el ADN recombinante mientras se descartan las que no lo contienen. Además, el marcador también sirve como gen indicador que, una vez expresado, puede detectarse y medirse fácilmente.

Una vez que el ADN recombinante está dentro de las células bacterianas individuales, esas células se colocan en placas y se dejan crecer hasta formar una colonia que contiene millones de células transgénicas que portan el mismo ADN recombinante. Estas células transgénicas luego producen grandes cantidades del producto transgénico, como la insulina humana, que fue el primer medicamento que se fabricó utilizando tecnología de ADN recombinante.

Los fragmentos de ADN utilizados en los procedimientos de clonación molecular también se pueden utilizar para crear una biblioteca genómica.

Otras herramientas de biotecnología incluyen microarrays de ADN, vectores de expresión, genómica sintética y edición de genes CRISPR. Otros enfoques, como la farmacia, pueden producir grandes cantidades de productos de utilidad médica mediante el uso de organismos modificados genéticamente. Muchas de estas otras herramientas también tienen amplias aplicaciones, como la creación de proteínas de utilidad médica o la mejora del cultivo de plantas y la cría de animales.

Genes, desarrollo y evolución

Más información: Biología evolutiva del desarrollo Modelo de formación de gradientes de concentración; Los contornos finos de color amarillo anaranjado son los límites de las celdas.

El desarrollo es el proceso por el cual un organismo multicelular ( vegetal o animal ) atraviesa una serie de cambios, partiendo de una sola célula y adoptando diversas formas que son características de su ciclo de vida. Hay cuatro procesos clave que subyacen al desarrollo: determinación, diferenciación, morfogénesis y crecimiento. La determinación establece el destino de desarrollo de una célula, que se vuelve más restrictiva durante el desarrollo. La diferenciación es el proceso mediante el cual células especializadas de células menos especializadas, como las células madre. Las células madre son indiferenciadas o parcialmente diferenciadas células que pueden diferenciarse en varios tipos de células y proliferar indefinidamente para producir más de lo mismo de células madre. La diferenciación celular cambia drásticamente el tamaño, la forma, el potencial de membrana, la actividad metabólica y la capacidad de respuesta a las señales de una célula, que se deben en gran parte a modificaciones altamente controladas en la expresión génica y la epigenética. Con algunas excepciones, la diferenciación celular casi nunca implica un cambio en la secuencia de ADN en sí. Así, diferentes células pueden tener características físicas muy diferentes a pesar de tener el mismo genoma. La morfogénesis, o desarrollo de la forma del cuerpo, es el resultado de diferencias espaciales en la expresión génica. Especialmente, la organización de tejidos diferenciados en estructuras específicas como brazos o alas, que se conoce como formación de patrones, se rige por morfógenos, moléculas de señalización que se mueven de un grupo de células a las células circundantes, creando un gradiente de morfógenos como lo describen los franceses. modelo de bandera. La apoptosis, o muerte celular programada, también ocurre durante la morfogénesis, como la muerte de las células entre los dedos en el desarrollo embrionario humano, que libera los dedos de las manos y los pies. La expresión de genes de factores de transcripción puede determinar la ubicación de los órganos en una planta y una cascada de factores de transcripción por sí mismos puede establecer la segmentación corporal en una mosca de la fruta.

Una pequeña fracción de los genes del genoma de un organismo, denominada caja de herramientas de desarrollo genético, controla el desarrollo de ese organismo. Estos genes del conjunto de herramientas están altamente conservados entre los phyla, lo que significa que son antiguos y muy similares en grupos de animales muy separados. Las diferencias en el despliegue de los genes del juego de herramientas afectan el plan del cuerpo y el número, identidad y patrón de las partes del cuerpo. Entre los genes del conjunto de herramientas más importantes se encuentran los genes Hox. Los genes Hox determinan dónde crecerán las partes repetidas, como las muchas vértebras de las serpientes, en un embrión o larva en desarrollo. Las variaciones en el conjunto de herramientas pueden haber producido una gran parte de la evolución morfológica de los animales. El conjunto de herramientas puede impulsar la evolución de dos formas. Un gen de la caja de herramientas puede expresarse en un patrón diferente, como cuando el pico del gran pinzón terrestre de Darwin fue agrandado por el gen BMP, o cuando las serpientes perdieron sus patas cuando los genes Distal-less (Dlx) se sub-expresaron o no se expresaron en todo en los lugares donde otros reptiles continuaron formando sus extremidades. O, un gen del conjunto de herramientas puede adquirir una nueva función, como se ve en las muchas funciones de ese mismo gen, sin distal, que controla estructuras tan diversas como la mandíbula en los vertebrados, las patas y antenas en la mosca de la fruta y el patrón de manchas oculares en las mariposas. alas. Dado que los pequeños cambios en los genes de la caja de herramientas pueden causar cambios significativos en las estructuras corporales, a menudo han permitido una evolución convergente o paralela.

Evolución

Procesos evolutivos

Más información: Biología evolutiva Selección natural para rasgos más oscuros.

Un concepto organizativo central en biología es que la vida cambia y se desarrolla a través de la evolución, que es el cambio en las características hereditarias de las poblaciones a lo largo de generaciones sucesivas. La evolución se utiliza ahora para explicar las grandes variaciones de la vida en la Tierra. El término evolución fue introducido en el léxico científico por Jean-Baptiste de Lamarck en 1809. Propuso que la evolución se producía como resultado de la herencia de características adquiridas, lo cual no era convincente pero no había explicaciones alternativas en ese momento. Charles Darwin, un naturalista inglés, había regresado a Inglaterra en 1836 de sus viajes de cinco años en el HMS Beagle, donde estudió rocas y recolectó plantas y animales de varias partes del mundo, como las Islas Galápagos. También había leído Principios de geología de Charles Lyell y Ensayo sobre el principio de población de Thomas Malthus y fue influenciado por ellos. Basado en sus observaciones y lecturas, Darwin comenzó a formular su teoría de la evolución por selección natural para explicar la diversidad de plantas y animales en diferentes partes del mundo. Alfred Russel Wallace, otro naturalista inglés que había estudiado plantas y animales en el archipiélago malayo, también llegó a la misma idea, pero más tarde e independientemente de Darwin. Tanto Darwin como Wallace presentaron conjuntamente su ensayo y manuscrito, respectivamente, en la Linnaean Society de Londres en 1858, dándoles crédito a ambos por su descubrimiento de la evolución por selección natural. Darwin publicaría más tarde su libro Sobre el origen de las especies en 1859, que explicaba en detalle cómo funciona el proceso de evolución por selección natural.

Para explicar la selección natural, Darwin trazó una analogía con los seres humanos modificando animales a través de la selección artificial, mediante la cual los animales fueron criados selectivamente por rasgos específicos, lo que ha dado lugar a individuos que ya no se parecen a sus ancestros salvajes. Darwin argumentó que en el mundo natural, era la naturaleza la que desempeñaba el papel de los humanos en la selección de rasgos específicos. Llegó a esta conclusión basándose en dos observaciones y dos inferencias. Primero, los miembros de cualquier población tienden a variar con respecto a sus rasgos hereditarios. En segundo lugar, todas las especies tienden a producir más descendencia de la que pueden mantener sus respectivos entornos, lo que hace que muchos individuos no sobrevivan ni se reproduzcan. Con base en estas observaciones, Darwin infirió que aquellos individuos que poseían rasgos hereditarios que están mejor adaptados a su entorno tienen más probabilidades de sobrevivir y producir más descendencia que otros individuos. Además, infirió que la supervivencia y reproducción desigual o diferencial de ciertos individuos sobre otros conducirá a la acumulación de rasgos favorables durante generaciones sucesivas, aumentando así la coincidencia entre los organismos y su entorno. Por lo tanto, en conjunto, la selección natural es la supervivencia y reproducción diferencial de los individuos en las generaciones posteriores debido a diferencias o rasgos más hereditarios.

Darwin no estaba al tanto del trabajo de herencia de Mendel y, por lo tanto, el mecanismo exacto de la herencia que subyace a la selección natural no se entendió bien hasta principios del siglo XX, cuando la síntesis moderna reconcilió la evolución darwiniana con la genética clásica, que estableció una perspectiva neodarwiniana de la evolución. por selección natural. Esta perspectiva sostiene que la evolución ocurre cuando hay cambios en las frecuencias alélicas dentro de una población de organismos cruzados. En ausencia de cualquier proceso evolutivo que actúe sobre una gran población de apareamiento aleatorio, las frecuencias de los alelos permanecerán constantes a lo largo de las generaciones, como se describe en el principio de Hardy-Weinberg.

Otro proceso que impulsa la evolución es la deriva genética, que son las fluctuaciones aleatorias de las frecuencias alélicas dentro de una población de una generación a la siguiente. Cuando las fuerzas selectivas están ausentes o son relativamente débiles, es igualmente probable que las frecuencias de los alelos se desvíen hacia arriba o hacia abajo en cada generación sucesiva porque los alelos están sujetos a errores de muestreo. Esta deriva se detiene cuando un alelo finalmente se fija, ya sea desapareciendo de la población o reemplazando los otros alelos por completo. Por lo tanto, la deriva genética puede eliminar algunos alelos de una población debido únicamente al azar.

Especiación

Comparación de la especiación alopátrica, peripatrica, parapátrica y simpátrica

Una especie es un grupo de organismos que se aparean entre sí y la especiación es el proceso por el cual un linaje se divide en dos linajes como resultado de haber evolucionado independientemente el uno del otro. Para que ocurra la especiación, tiene que haber aislamiento reproductivo. El aislamiento reproductivo puede resultar de incompatibilidades entre genes como se describe en el modelo de Bateson-Dobzhansky-Muller. El aislamiento reproductivo también tiende a aumentar con la divergencia genética. La especiación puede ocurrir cuando existen barreras físicas que dividen una especie ancestral, un proceso conocido como especiación alopátrica. Por el contrario, la especiación simpátrica se produce en ausencia de barreras físicas.

El aislamiento pre-cigótico como los aislamientos mecánicos, temporales, conductuales, de hábitat y gaméticos pueden evitar que las diferentes especies se hibriden. De manera similar, los aislamientos post-cigóticos pueden dar como resultado que se seleccione contra la hibridación debido a la menor viabilidad de los híbridos o la infertilidad híbrida (por ejemplo, mula ). Pueden surgir zonas híbridas si hubiera un aislamiento reproductivo incompleto entre dos especies estrechamente relacionadas.

Filogenia

Más información: Filogenia y Biodiversidad Árbol filogenético que muestra los dominios de bacterias, arqueas y eucariotas.

Una filogenia es una historia evolutiva de un grupo específico de organismos o sus genes. Puede representarse mediante un árbol filogenético, que es un diagrama que muestra las líneas de descendencia entre organismos o sus genes. Cada línea dibujada en el eje del tiempo de un árbol representa un linaje de descendientes de una especie o población en particular. Cuando un linaje se divide en dos, se representa como un nodo (o división) en el árbol filogenético. Cuantas más divisiones haya a lo largo del tiempo, más ramas habrá en el árbol, y el ancestro común de todos los organismos en ese árbol estará representado por la raíz de ese árbol. Los árboles filogenéticos pueden representar la historia evolutiva de todas las formas de vida, un grupo evolutivo importante (por ejemplo, insectos ) o un grupo aún más pequeño de especies estrechamente relacionadas. Dentro de un árbol, cualquier grupo de especies designado por un nombre es un taxón (p. Ej., Humanos, primates, mamíferos o vertebrados) y un taxón que consta de todos sus descendientes evolutivos es un clado, también conocido como taxón monofilético. Las especies estrechamente relacionadas se denominan especies hermanas y los clados estrechamente relacionados son clados hermanos. A diferencia de un grupo monofilético, un grupo polifilético no incluye a su antepasado común, mientras que un grupo parafilético no incluye a todos los descendientes de un antepasado común.

Los árboles filogenéticos son la base para comparar y agrupar diferentes especies. Las diferentes especies que comparten una característica heredada de un ancestro común se describen como características homólogas (o sinapomorfia ). Las características homólogas pueden ser cualquier característica hereditaria, como la secuencia de ADN, las estructuras de proteínas, las características anatómicas y los patrones de comportamiento. Una columna vertebral es un ejemplo de una característica homóloga compartida por todos los animales vertebrados. Los rasgos que tienen una forma o función similar pero que no se derivan de un antepasado común se describen como rasgos análogos. Las filogenias se pueden reconstruir para un grupo de organismos de intereses primarios, que se denominan endogrupo. Una especie o grupo que está estrechamente relacionado con el endogrupo pero que está filogenéticamente fuera de él se llama exogrupo, que sirve como punto de referencia en el árbol. La raíz del árbol se encuentra entre el grupo interno y el grupo externo. Cuando se reconstruyen árboles filogenéticos, se pueden generar múltiples árboles con diferentes historias evolutivas. Basado en el principio de parsimonia (o la navaja de Occam), el árbol que se favorece es el que tiene la menor cantidad de cambios evolutivos necesarios para asumir todos los rasgos en todos los grupos. Se pueden usar algoritmos computacionales para determinar cómo podría haber evolucionado un árbol dada la evidencia.

La filogenia proporciona la base de la clasificación biológica, que se basa en la taxonomía de Linneo que fue desarrollada por Carl Linnaeus en el siglo XVIII. Este sistema de clasificación se basa en rangos, siendo el rango más alto el dominio seguido por reino, filo, clase, orden, familia, género y especie. Todos los organismos pueden clasificarse como pertenecientes a uno de tres dominios : Archaea (originalmente Archaebacteria); bacterias (originalmente eubacterias) o eukarya (incluye los reinos protista, de hongos, vegetal y animal ). Se utiliza una nomenclatura binomial para clasificar diferentes especies. Con base en este sistema, a cada especie se le dan dos nombres, uno para su género y otro para su especie. Por ejemplo, los humanos son Homo sapiens, siendo Homo el género y sapiens la especie. Por convención, los nombres científicos de los organismos están en cursiva, con solo la primera letra del género en mayúscula.

Historia de vida

Cronología de la vida
Esta caja: vista hablar editar
−4500 - - - - −4000 - - - - −3500 - - - - −3000 - - - - −2500 - - - - −2000 - - - - −1500 - - - - −1000 - - - - −500 - - - - 0 -	Agua   Vida unicelular   Fotosíntesis   Eucariotas   Vida multicelular   P l a n t s   Artrópodos Moluscos Flores Dinosaurios   Mamíferos Aves Primates H a d e a n A r c h e a n P r o t e r o z o i c P h una n e r o z o i c	← Tierra formada (4540 mya) ← Agua más temprana ← Vida más temprana ← Meteoritos LHB ← Oxígeno más temprano ← Glaciación Pongola * ← Oxígeno atmosférico ← Glaciación huroniana * ← Reproducción sexual ← Vida multicelular más temprana ← Hongos más antiguos ← Plantas más tempranas ← Los primeros animales ← Edad de hielo criogénica * ← Biota ediacárica ← Explosión cámbrica ← Glaciación andina * ← Los primeros tetrápodos ← Era de hielo de Karoo * ← Primeros simios / humanos ← Edad de hielo cuaternaria *
(hace millones de años ) * Edad de Hielo

La historia de la vida en la Tierra rastrea los procesos mediante los cuales los organismos han evolucionado desde la aparición más temprana de la vida hasta la actualidad. La Tierra se formó hace unos 4.500 millones de años y toda la vida en la Tierra, tanto viva como extinta, desciende de un último ancestro común universal que vivió hace unos 3.500 millones de años. La datación de la historia de la Tierra se puede realizar utilizando varios métodos geológicos como la estratigrafía, la datación radiométrica y la datación paleomagnética. Con base en estos métodos, los geólogos han desarrollado una escala de tiempo geológico que divide la historia de la Tierra en grandes divisiones, comenzando con cuatro eones ( Hadeano, Arcaico, Proterozoico y Fanerozoico ), los primeros tres de los cuales se conocen colectivamente como Precámbrico. que duró aproximadamente 4 mil millones de años. Cada eón se puede dividir en eras, y el eón fanerozoico que comenzó hace 542 millones de años se subdivide en eras Paleozoica, Mesozoica y Cenozoica. Estas tres eras juntas comprenden once períodos ( Cámbrico, Ordovícico, Silúrico, Devónico, Carbonífero, Pérmico, Triásico, Jurásico, Cretácico, Terciario y Cuaternario ) y cada período en épocas.

Las similitudes entre todas las especies conocidas actuales indican que han divergido a través del proceso de evolución de su antepasado común. Los biólogos consideran la ubicuidad del código genético como evidencia de un origen común universal para todas las bacterias, arqueas y eucariotas. Las esteras microbianas de bacterias y arqueas coexistentes eran la forma de vida dominante en la época arcaica temprana y se cree que muchos de los pasos principales en la evolución temprana tuvieron lugar en este entorno. La evidencia más temprana de eucariotas data de hace 1.850 millones de años, y aunque pueden haber estado presentes antes, su diversificación se aceleró cuando comenzaron a usar oxígeno en su metabolismo. Más tarde, hace alrededor de 1.700 millones de años, comenzaron a aparecer organismos multicelulares, con células diferenciadas que realizaban funciones especializadas.

Las plantas terrestres multicelulares similares a las algas se remontan incluso a hace unos mil millones de años, aunque la evidencia sugiere que los microorganismos formaron los primeros ecosistemas terrestres, hace al menos 2.700 millones de años. Se cree que los microorganismos allanaron el camino para el inicio de las plantas terrestres en el período Ordovícico. Las plantas terrestres tuvieron tanto éxito que se cree que contribuyeron al evento de extinción del Devónico tardío.

La biota de Ediacara aparece durante el período de Ediacara, mientras que los vertebrados, junto con la mayoría de los demás phyla modernos, se originaron hace unos 525 millones de años durante la explosión del Cámbrico. Durante el período Pérmico, los sinápsidos, incluidos los antepasados ​​de los mamíferos, dominaron la tierra, pero la mayor parte de este grupo se extinguió en el evento de extinción Pérmico-Triásico hace 252 millones de años. Durante la recuperación de esta catástrofe, los arcosaurios se convirtieron en los vertebrados terrestres más abundantes; un grupo de arcosaurios, los dinosaurios, dominó los períodos Jurásico y Cretácico. Después de que el evento de extinción del Cretácico-Paleógeno hace 66 millones de años mató a los dinosaurios no aviares, los mamíferos aumentaron rápidamente en tamaño y diversidad. Tales extinciones masivas pueden haber acelerado la evolución al brindar oportunidades para que nuevos grupos de organismos se diversifiquen.

Diversidad

Bacterias y arqueas

Más información: Microbiología Bacterias - Gemmatimonas aurantiaca (- = 1 micrómetro)

Las bacterias son un tipo de células que constituyen un gran dominio de microorganismos procarióticos. Por lo general, de unos pocos micrómetros de longitud, las bacterias tienen varias formas, que van desde esferas hasta varillas y espirales. Las bacterias estuvieron entre las primeras formas de vida que aparecieron en la Tierra y están presentes en la mayoría de sus hábitats. Las bacterias habitan el suelo, el agua, las aguas termales ácidas, los desechos radiactivos y la biosfera profunda de la corteza terrestre. Las bacterias también viven en relaciones simbióticas y parasitarias con plantas y animales. La mayoría de las bacterias no se han caracterizado y solo alrededor del 27 por ciento de los filos bacterianos tienen especies que se pueden cultivar en el laboratorio.

Archaea - Halobacterias

Las arqueas constituyen el otro dominio de las células procariotas y se clasificaron inicialmente como bacterias, recibiendo el nombre de arqueobacterias (en el reino de las arqueobacterias), un término que ha caído en desuso. Las células de Archaeal tienen propiedades únicas que las separan de los otros dos dominios, Bacteria y Eukaryota. Las arqueas se dividen además en múltiples filos reconocidos. Las arqueas y las bacterias son generalmente similares en tamaño y forma, aunque algunas arqueas tienen formas muy diferentes, como las células planas y cuadradas de Haloquadratum walsbyi. A pesar de esta similitud morfológica con las bacterias, las arqueas poseen genes y varias vías metabólicas que están más estrechamente relacionadas con las de los eucariotas, en particular para las enzimas involucradas en la transcripción y traducción. Otros aspectos de la bioquímica de las arqueas son únicos, como su dependencia de los éter lípidos en sus membranas celulares, incluidos los arqueoles. Las arqueas utilizan más fuentes de energía que los eucariotas: estos van desde compuestos orgánicos, como azúcares, hasta amoníaco, iones metálicos o incluso gas hidrógeno. Las arqueas tolerantes a la sal (las Haloarchaea ) utilizan la luz solar como fuente de energía y otras especies de arqueas fijan el carbono, pero a diferencia de las plantas y las cianobacterias, ninguna especie conocida de arqueas hace ambas cosas. Las arqueas se reproducen asexualmente por fisión binaria, fragmentación o gemación ; a diferencia de las bacterias, ninguna especie conocida de Archaea forma endosporas.

Las primeras arqueas observadas fueron extremófilos, que vivían en ambientes extremos, como aguas termales y lagos salados sin otros organismos. Las herramientas mejoradas de detección molecular llevaron al descubrimiento de arqueas en casi todos los hábitats, incluidos el suelo, los océanos y las marismas. Las arqueas son particularmente numerosas en los océanos, y las arqueas del plancton pueden ser uno de los grupos de organismos más abundantes del planeta.

Las arqueas son una parte importante de la vida de la Tierra. Forman parte de la microbiota de todos los organismos. En el microbioma humano, son importantes en el intestino, la boca y la piel. Su diversidad morfológica, metabólica y geográfica les permite jugar múltiples roles ecológicos: fijación de carbono; ciclos de nitrógeno; rotación de compuestos orgánicos; y el mantenimiento de comunidades microbianas simbióticas y sintróficas, por ejemplo.

Protistas

Más información: Protistología Diversidad de protistas

Se supone que los eucariotas se separaron de las arqueas, lo que fue seguido por sus endosimbiosis con bacterias (o simbiogénesis ) que dieron lugar a mitocondrias y cloroplastos, que ahora forman parte de las células eucariotas modernas. Los principales linajes de eucariotas se diversificaron en el Precámbrico hace unos 1.500 millones de años y pueden clasificarse en ocho clados principales: alveolados, excavados, estramenopilas, plantas, rizarios, amebozoos, hongos y animales. Cinco de estos clados se conocen colectivamente como protistas, que en su mayoría son organismos eucariotas microscópicos que no son plantas, hongos o animales. Si bien es probable que los protistas compartan un ancestro común (el último ancestro común eucariota ), los protistas por sí mismos no constituyen un clado separado, ya que algunos protistas pueden estar más estrechamente relacionados con plantas, hongos o animales que con otros protistas. Al igual que las agrupaciones como algas, invertebrados o protozoos, la agrupación protista no es un grupo taxonómico formal, pero se utiliza por conveniencia. La mayoría de los protistas son unicelulares, que también se conocen como eucariotas microbianos.

Los alveolados son en su mayoría protistas unicelulares fotosintéticos que poseen sacos llamados alvéolos (de ahí su nombre alveolados) que se encuentran debajo de su membrana celular, proporcionando soporte para la superficie celular. Los alveolatos comprenden varios grupos como dinoflagelados, apicomplejos y ciliados. Los dinoflagelados son fotosintéticos y se pueden encontrar en el océano, donde desempeñan un papel como productores primarios de materia orgánica. Los apicomplejos son alveolatos parásitos que poseen un complejo apical, que es un grupo de orgánulos ubicados en el extremo apical de la célula. Este complejo permite que los apicomplejos invadan los tejidos de sus huéspedes. Los ciliados son alveolados que poseen numerosas estructuras similares a pelos llamadas cilios. Una característica definitoria de los ciliados es la presencia de dos tipos de núcleos en cada célula ciliada. Un cilio comúnmente estudiado es el paramecio.

Los excavados son grupos de protistas que comenzaron a diversificarse hace aproximadamente 1.500 millones de años poco después del origen de los eucariotas. Algunas excavaciones no poseen mitocondrias, que se cree que se perdieron a lo largo de la evolución, ya que estos protistas todavía poseen genes nucleares que están asociados con las mitocondrias. Las excavaciones comprenden varios grupos como diplomonads, parabasalids, heteroloboseans, euglenids y kinetoplastids.

Los stramenopiles, la mayoría de los cuales se pueden caracterizar por la presencia de pelos tubulares en el más largo de sus dos flagelos, incluyen diatomeas y algas pardas. Las diatomeas son productoras primarias y contribuyen con aproximadamente una quinta parte de toda la fijación de carbono fotosintético, lo que las convierte en un componente importante del fitoplancton.

Los rizarios son en su mayoría protistas acuáticos y unicelulares que normalmente contienen pseudópodos largos y delgados. Los rizarios comprenden tres grupos principales: cercozoos, foraminíferos y radiolarios.

Los amebozoos son protistas con una forma corporal caracterizada por la presencia de pseudópodos en forma de lóbulo, que les ayudan a moverse. Ellos incluyen grupos tales como loboseans y moldes de limo (por ejemplo, moho de fango plasmodial y moldes de limo celular).

Diversidad vegetal

Más información: Botánica Diversidad de plantas

Las plantas son principalmente organismos multicelulares, predominantemente eucariotas fotosintéticos del reino Plantae, lo que excluiría hongos y algunas algas. Un rasgo derivado compartido (o sinapomorfia ) de Plantae es la endosimbiosis primaria de una cianobacteria en un eucariota temprano hace aproximadamente mil millones de años, lo que dio lugar a los cloroplastos. Los primeros clados que surgieron después de la endosimbiosis primaria fueron acuáticos y la mayoría de los organismos eucariotas fotosintéticos acuáticos se describen colectivamente como algas, que es un término de conveniencia ya que no todas las algas están estrechamente relacionadas. Las algas comprenden varios clados distintos, como los glaucophytes, que son algas microscópicas de agua dulce que pueden haberse parecido en forma al antepasado unicelular temprano de Plantae. A diferencia de los glaucófitos, los otros clados de algas, como las algas rojas y verdes, son multicelulares. Las algas verdes comprenden tres principales clados: clorofitos, coleochaetophytes, y stoneworts.

Las plantas terrestres ( embriofitas ) aparecieron por primera vez en ambientes terrestres hace aproximadamente 450 a 500 millones de años. Una sinapomorfia de plantas terrestres es un embrión que se desarrolla bajo la protección de los tejidos de su planta madre. Las plantas terrestres comprenden diez clados principales, siete de los cuales constituyen un solo clado conocido como plantas vasculares (o traqueofitas) ya que todas tienen traqueidas, que son células conductoras de fluidos, y un sistema bien desarrollado que transporta materiales a través de sus cuerpos. Por el contrario, los otros tres clados son plantas no vasculares ya que no tienen traqueidas. Tampoco constituyen un solo clado.

Las plantas no vasculares incluyen hepáticas, musgos y hornworts. Suelen encontrarse en áreas donde el agua está fácilmente disponible. La mayoría vive en el suelo o incluso en las propias plantas vasculares. Algunos pueden crecer sobre rocas desnudas, troncos de árboles muertos o caídos e incluso edificios. La mayoría de las plantas no vasculares son terrestres, algunas viven en ambientes de agua dulce y ninguna en los océanos.

Los siete clados (o divisiones ) que componen las plantas vasculares incluyen colas de caballo y helechos, que juntos pueden agruparse en un solo clado llamado monilófitos. Las plantas de semillas (o espermatofitos ) comprenden las otras cinco divisiones, cuatro de las cuales están agrupadas como gimnospermas y una como angiospermas. Las gimnospermas incluyen coníferas, cícadas, ginkgo y gnetofitas. Las semillas de gimnospermas se desarrollan en la superficie de las escamas u hojas, que a menudo se modifican para formar conos, o son solitarias como en el tejo, Torreya, Ginkgo. Las angiospermas son el grupo más diverso de plantas terrestres, con 64 órdenes, 416 familias, aproximadamente 13.000 géneros conocidos y 300.000 especies conocidas. Como las gimnospermas, las angiospermas son plantas productoras de semillas. Se distinguen de las gimnospermas por tener características como flores, endospermo dentro de sus semillas y producción de frutos que contienen las semillas.

Hongos

Más información: Micología Diversidad de hongos. En el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda: Amanita muscaria, un basidiomiceto; Sarcoscypha coccinea, un ascomiceto; pan cubierto de moho ; quitridio ; Conidióforo de Aspergillus.

Los hongos son organismos eucariotas que digieren los alimentos fuera de sus cuerpos. Lo hacen a través de un proceso llamado heterotrofia absortiva mediante el cual primero secretan enzimas digestivas que descomponen grandes moléculas de alimentos antes de absorberlas a través de sus membranas celulares. Muchos hongos también son saprobios, ya que pueden absorber nutrientes de la materia orgánica muerta y, por lo tanto, son los principales descomponedores en los sistemas ecológicos. Algunos hongos son parásitos al absorber nutrientes de los huéspedes vivos, mientras que otros son mutualistas. Los hongos, junto con otros dos linajes, coanoflagelados y animales, pueden agruparse como opistocontes. Una sinapomorfia que distingue a los hongos de otros dos opistocontes es la presencia de quitina en sus paredes celulares.

La mayoría de los hongos son multicelulares, pero algunos son unicelulares, como las levaduras, que viven en ambientes líquidos o húmedos y son capaces de absorber nutrientes directamente en la superficie de sus células. Los hongos multicelulares, por otro lado, tienen un cuerpo llamado micelio, que está compuesto por una masa de filamentos tubulares individuales llamados hifas que permiten que ocurra la absorción de nutrientes.

Los hongos se pueden dividir en seis grupos principales según sus ciclos de vida: microsporidios, quitridios, hongos zigosporas ( Zygomycota ), hongos micorrízicos arbusculares ( Glomeromycota ), hongos del saco ( Ascomycota ) y hongos club ( Basidiomycota ).

El reino de los hongos abarca una enorme diversidad de taxones con ecologías variadas, estrategias de ciclo de vida y morfologías que van desde quítridos acuáticos unicelulares hasta hongos grandes. Sin embargo, se sabe poco de la verdadera biodiversidad de Kingdom Fungi, que se ha estimado en 2,2 millones a 3,8 millones de especies. De estos, solo se han descrito alrededor de 148,000, con más de 8,000 especies conocidas por ser perjudiciales para las plantas y al menos 300 que pueden ser patógenas para los humanos.

Diversidad animal

Más información: Zoología Diversidad de animales. De arriba a abajo, primera columna: equinodermo, cnidaria, bivalvo, tardígrado, crustáceo y arácnido. Segunda columna: esponja, insecto, mamífero, briozoos, acanthocephala y gusano plano. Tercera columna: cefalópodo, anélido, tunicado, pez, pájaro y foronida

Los animales son organismos eucariotas multicelulares que forman el reino Animalia. Con pocas excepciones, los animales consumen material orgánico, respiran oxígeno, pueden moverse, pueden reproducirse sexualmente y crecer a partir de una esfera hueca de células, la blástula, durante el desarrollo embrionario. Se han descrito más de 1,5 millones de especies animales vivas, de las cuales alrededor de 1 millón son insectos, pero se ha estimado que hay más de 7 millones de especies animales en total. Tienen interacciones complejas entre sí y con sus entornos, formando intrincadas redes alimenticias.

Los animales se pueden distinguir en dos grupos según sus características de desarrollo. Por ejemplo, los embriones de animales diploblásticos como ctenóforos, placeozoos y cnidarios tienen dos capas de células ( ectodermo y endodermo ), mientras que los embriones de animales triploblásticos tienen tres capas de tejido (ectodermo, mesodermo y endodermo), que es una sinapomorfia de estos animales.. Los animales triploblásticos se pueden dividir en dos clados principales según el patrón de gastrulación, mediante el cual se forma una cavidad llamada blastoporo a partir de la hendidura de una blástula. En los protostomas, el blastoporo da lugar a la boca, a la que sigue la formación del ano. En los deuterostomas, el blastoporo da lugar al ano, seguido de la formación de la boca.

Los animales también se pueden diferenciar en función de su plan corporal, específicamente con respecto a cuatro características clave: simetría, cavidad corporal, segmentación y apéndices. Los cuerpos de la mayoría de los animales son simétricos, siendo la simetría radial o bilateral. Los animales triploblásticos se pueden dividir en tres tipos según su cavidad corporal: acoelomato, pseudocoelomato y coelomato. La segmentación se puede observar en los cuerpos de muchos animales, lo que permite la especialización de diferentes partes del cuerpo además de permitir que el animal cambie la forma de su cuerpo para controlar sus movimientos. Finalmente, los animales se pueden distinguir en función del tipo y ubicación de sus apéndices, como antenas para detectar el entorno o garras para capturar presas.

Las esponjas, los miembros del phylum Porifera, son un clado de Metazoa (animal) basal como hermana de los diploblastos. Son organismos multicelulares que tienen cuerpos llenos de poros y canales que permiten que el agua circule a través de ellos, que consisten en mesohilo gelatinoso intercalado entre dos capas delgadas de células.

La mayoría (~ 97%) de las especies animales son invertebrados, que son animales que no tienen columna vertebral (ni columna vertebral), derivada de la notocorda. Esto incluye a todos los animales excepto al subfilo Vertebrata. Ejemplos familiares de invertebrados incluyen artrópodos ( insectos, arácnidos, crustáceos y miriápodos ), moluscos ( quitones, caracoles, bivalvos, calamares y pulpos ), anélidos ( lombrices y sanguijuelas ) y cnidarios ( hidras, medusas, anémonas de mar y corales). ). Muchos taxones de invertebrados tienen una mayor cantidad y variedad de especies que todo el subfilo de Vertebrata.

En contraste, los vertebrados comprenden todas las especies de animales dentro del subfilo Vertebrata, que son cordados con columnas vertebrales. Estos animales tienen cuatro características clave, que son un cráneo anterior con cerebro, un esqueleto interno rígido sostenido por una columna vertebral que encierra una médula espinal, órganos internos suspendidos en un celoma y un sistema circulatorio bien desarrollado impulsado por un solo gran corazón. Los vertebrados representan la abrumadora mayoría del filo Chordata, con aproximadamente 69,963 especies descritas actualmente. Los vertebrados comprenden diferentes grupos principales que incluyen peces sin mandíbulas ( sin incluir peces brujos ), vertebrados con mandíbulas como peces cartilaginosos ( tiburones, rayas y peces rata), peces óseos, tetrápodos como anfibios, reptiles, aves y mamíferos.

Los dos grupos restantes de peces sin mandíbulas que han sobrevivido más allá del período Devónico son los hagfishes y la lamprea, que se conocen colectivamente como ciclostomas (por bocas circuladas). Ambos grupos de animales tienen cuerpos alargados en forma de anguila sin pares de aletas. Sin embargo, debido a que los peces brujos tienen un sistema circulatorio débil con tres corazones accesorios, un cráneo parcial sin cerebelo, sin mandíbulas o estómago, y sin vértebras articuladas, algunos biólogos no los clasifican como vertebrados sino como un grupo hermano de vertebrados. Por el contrario, las lampreas tienen un cráneo completo y una vértebra cartilaginosa distinta.

Los mamíferos tienen cuatro características clave que los distinguen de otros animales, como las glándulas sudoríparas, las glándulas mamarias, el pelo y un corazón de cuatro cámaras. Los mamíferos pequeños y medianos solían coexistir con los grandes dinosaurios en gran parte de la era mesozoica, pero pronto se irradiaron tras la extinción masiva de los dinosaurios al final del período Cretácico. Hay aproximadamente 57.000 especies de mamíferos, que se pueden dividir en dos grupos principales: prototerianos y terios. Los prototerianos no poseen pezones en sus mamas, sino que secretan leche sobre su piel, lo que permite que sus crías lamen si se quitan las pieles. También carecen de placenta, ponen huevos y tienen piernas abiertas. Actualmente, solo hay cinco especies conocidas de prototerianos ( ornitorrinco y cuatro especies de equidnas ). El clado therian es vivíparo y se puede dividir en dos grupos: marsupiales y euterios. Las hembras marsupiales tienen una bolsa ventral para cargar y alimentar a sus crías. Euterios constituyen la mayoría de los mamíferos e incluyen grupos principales tales como roedores, murciélagos, artiodáctilos y cetáceos, musarañas y moles, primates, carnívoros, conejos, insectívoros africanos, insectívoros espinosas, armadillos, Treeshrews, perisodáctilos, a largo insectívoros nariz, osos hormigueros y los perezosos, pangolines, hyraxes, sirenios, elefantes, colugos y cerdo hormiguero.

Virus

Más información: Virología Bacteriófagos adheridos a una pared celular bacteriana.

Los virus son agentes infecciosos submicroscópicos que se replican dentro de las células de los organismos. Los virus infectan todo tipo de formas de vida, desde animales y plantas hasta microorganismos, incluidas bacterias y arqueas. Se han descrito en detalle más de 6.000 especies de virus. Los virus se encuentran en casi todos los ecosistemas de la Tierra y son el tipo más numeroso de entidad biológica.

Cuando se infecta, una célula huésped se ve obligada a producir rápidamente miles de copias idénticas del virus original. Cuando no están dentro de una célula infectada o en el proceso de infectar una célula, los virus existen en forma de partículas independientes, o viriones, que consisten en el material genético ( ADN o ARN ), una capa de proteína llamada cápside y, en algunos casos, una capa externa. sobre de lípidos. Las formas de estas partículas de virus varían desde formas helicoidales e icosaédricas simples hasta estructuras más complejas. La mayoría de las especies de virus tienen viriones demasiado pequeños para ser vistos con un microscopio óptico, ya que son una centésima parte del tamaño de la mayoría de las bacterias.

Los orígenes de los virus en la historia evolutiva de la vida no están claros: algunos pueden haber evolucionado a partir de plásmidos, piezas de ADN que pueden moverse entre las células, mientras que otros pueden haber evolucionado a partir de bacterias. En la evolución, los virus son un medio importante de transferencia horizontal de genes, lo que aumenta la diversidad genética de forma análoga a la reproducción sexual. Debido a que los virus poseen algunas, pero no todas, las características de la vida, se los ha descrito como "organismos al borde de la vida" y como autorreplicadores.

Los virus se pueden propagar de muchas formas. Una vía de transmisión es a través de organismos portadores de enfermedades conocidos como vectores : por ejemplo, los virus a menudo se transmiten de una planta a otra por insectos que se alimentan de la savia de las plantas, como los pulgones ; y los virus en animales pueden ser transportados por insectos chupadores de sangre. Los virus de la influenza se transmiten al toser y estornudar. El norovirus y el rotavirus, causas comunes de gastroenteritis viral, se transmiten por vía fecal-oral, se transmiten por contacto de las manos a la boca o en los alimentos o el agua. Las infecciones virales en animales provocan una respuesta inmune que generalmente elimina el virus infectante. Las vacunas también pueden producir respuestas inmunitarias, que confieren una inmunidad adquirida artificialmente a la infección viral específica.

Forma y función de la planta

Cuerpo vegetal

Más información: Morfología de la planta, Anatomía de la planta, y la fisiología de la planta Sistemas de raíces y brotes en un eudicot.

El cuerpo de la planta está formado por órganos que se pueden organizar en dos sistemas de órganos principales: un sistema de raíces y un sistema de brotes. El sistema de raíces ancla las plantas en su lugar. Las propias raíces absorben agua y minerales y almacenan productos fotosintéticos. El sistema de brotes se compone de tallo, hojas y flores. Los tallos sostienen y orientan las hojas hacia el sol, lo que permite que las hojas realicen la fotosíntesis. Las flores son brotes que han sido modificados para su reproducción. Los brotes están compuestos por fitómeros, que son unidades funcionales que consisten en un nodo que lleva una o más hojas, entrenudos y una o más yemas.

El cuerpo de una planta tiene dos patrones básicos (ejes apical-basal y radial) que se establecieron durante la embriogénesis. Las células y los tejidos están dispuestos a lo largo del eje apical-basal desde la raíz hasta el brote, mientras que los tres sistemas de tejidos ( dérmico, de tierra y vascular ) que forman el cuerpo de una planta están dispuestos de forma concéntrica alrededor de su eje radial. El sistema de tejido dérmico forma la epidermis (o cubierta exterior) de una planta, que generalmente es una capa de una sola célula que consta de células que se han diferenciado en tres estructuras especializadas: estomas para el intercambio de gases en las hojas, tricomas (o pelo de las hojas) para protección. contra insectos y radiación solar, y pelos radiculares para aumentar la superficie y la absorción de agua y nutrientes. El tejido del suelo constituye prácticamente todo el tejido que se encuentra entre los tejidos dérmico y vascular en los brotes y raíces. Consiste en tres tipos de células: células de parénquima, colénquima y esclerénquima. Finalmente, los tejidos vasculares están formados por dos tejidos constituyentes: xilema y floema. El xilema está formado por dos células conductoras llamadas traqueidas y elementos vasculares, mientras que el floema se caracteriza por la presencia de elementos de tubo de tamiz y células acompañantes.

Nutrición y transporte vegetal

Más información: Planta vascular § Distribución de nutrientes El xilema (azul) transporta agua y minerales desde las raíces hacia arriba, mientras que el floema (naranja) transporta carbohidratos entre órganos.

Como todos los demás organismos, las plantas están compuestas principalmente de agua y otras moléculas que contienen elementos esenciales para la vida. La ausencia de nutrientes específicos (o elementos esenciales ), muchos de los cuales han sido identificados en experimentos hidropónicos, puede interrumpir el crecimiento y la reproducción de las plantas. La mayoría de las plantas pueden obtener estos nutrientes de las soluciones que rodean sus raíces en el suelo. La lixiviación y la cosecha continuas de cultivos pueden agotar los nutrientes del suelo, que pueden recuperarse con el uso de fertilizantes. Las plantas carnívoras como Venus atrapamoscas pueden obtener nutrientes al digerir otros artrópodos, mientras que las plantas parásitas como el muérdago pueden parasitar otras plantas en busca de agua y nutrientes.

Las plantas necesitan agua para realizar la fotosíntesis, transportar solutos entre órganos, enfriar sus hojas por evaporación y mantener las presiones internas que sostienen sus cuerpos. El agua puede difundirse dentro y fuera de las células vegetales por ósmosis. La dirección del movimiento del agua a través de una membrana semipermeable está determinada por el potencial de agua a través de esa membrana. El agua puede difundirse a través de la membrana de la célula de la raíz a través de las acuaporinas, mientras que los solutos son transportados por la membrana mediante canales iónicos y bombas. En las plantas vasculares, el agua y los solutos pueden entrar en el xilema, un tejido vascular, a través de un apoplasto y un simplelasto. Una vez en el xilema, el agua y los minerales se distribuyen hacia arriba por transpiración del suelo a las partes aéreas de la planta. Por el contrario, el floema, otro tejido vascular, distribuye carbohidratos (p. Ej., Sacarosa ) y otros solutos como hormonas por translocación desde una fuente (p. Ej., Hoja madura o raíz) en la que se produjeron a un sumidero (p. Ej., Raíz, flor, o fruta en desarrollo) en la que se utilizarán y almacenarán. Las fuentes y los sumideros pueden cambiar de función, dependiendo de la cantidad de carbohidratos acumulados o movilizados para la nutrición de otros órganos.

Desarrollo vegetal

El desarrollo de la planta está regulado por señales ambientales y los propios receptores, hormonas y genoma de la planta. Además, tienen varias características que les permiten obtener recursos para el crecimiento y la reproducción como los meristemos, la formación de órganos post-embrionarios y el crecimiento diferencial.

El desarrollo comienza con una semilla, que es una planta embrionaria encerrada en una cubierta exterior protectora. La mayoría de las semillas de plantas suelen estar inactivas, una condición en la que se suspende la actividad normal de la semilla. La latencia de la semilla puede durar semanas, meses, años e incluso siglos. La inactividad se rompe una vez que las condiciones son favorables para el crecimiento y la semilla comenzará a brotar, un proceso llamado germinación. La imbibición es el primer paso de la germinación, mediante el cual la semilla absorbe el agua. Una vez que se absorbe el agua, la semilla sufre cambios metabólicos mediante los cuales se activan las enzimas y se sintetizan el ARN y las proteínas. Una vez que la semilla germina, obtiene carbohidratos, aminoácidos y pequeños lípidos que sirven como bloques de construcción para su desarrollo. Estos monómeros se obtienen de la hidrólisis de almidón, proteínas y lípidos que se almacenan en los cotiledones o en el endospermo. La germinación se completa una vez que las raíces embrionarias llamadas radícula han emergido de la cubierta de la semilla. En este punto, la planta en desarrollo se llama plántula y su crecimiento está regulado por sus propias hormonas y proteínas fotorreceptoras.

A diferencia de los animales en los que el crecimiento está determinado, es decir, cesa cuando se alcanza el estado adulto, el crecimiento de las plantas es indeterminado, ya que es un proceso abierto que potencialmente podría durar toda la vida. Las plantas crecen de dos formas: primaria y secundaria. En el crecimiento primario, los brotes y las raíces se forman y alargan. El meristemo apical produce el cuerpo vegetal primario, que se puede encontrar en todas las plantas con semillas. Durante el crecimiento secundario, el grosor de la planta aumenta a medida que el meristemo lateral produce el cuerpo de la planta secundaria, que se puede encontrar en eudicots leñosos como árboles y arbustos. Las monocotiledóneas no pasan por un crecimiento secundario. El cuerpo de la planta es generado por una jerarquía de meristemos. Los meristemos apicales en los sistemas de raíces y brotes dan lugar a meristemas primarios (protodermo, meristemo molido y procambium ), que a su vez dan lugar a los tres sistemas tisulares ( dérmico, molido y vascular ).

Reproducción vegetal

Más información: Reproducción vegetal Reproducción y desarrollo en esporofitos.

La mayoría de las angiospermas (o plantas con flores) participan en la reproducción sexual. Sus flores son órganos que facilitan la reproducción, generalmente proporcionando un mecanismo para la unión de los espermatozoides con los óvulos. Las flores pueden facilitar dos tipos de polinización : autopolinización y polinización cruzada. La autopolinización ocurre cuando el polen de la antera se deposita sobre el estigma de la misma flor u otra flor de la misma planta. La polinización cruzada es la transferencia de polen de la antera de una flor al estigma de otra flor en un individuo diferente de la misma especie. La autopolinización ocurrió en flores donde el estambre y el carpelo maduran al mismo tiempo, y se colocan de manera que el polen pueda caer sobre el estigma de la flor. Esta polinización no requiere una inversión de la planta para proporcionar néctar y polen como alimento para los polinizadores.

Respuestas de la planta

Más información: Percepción de las plantas (fisiología) y Defensa de las plantas contra la herbivoría § Defensas químicas

Al igual que los animales, las plantas producen hormonas en una parte de su cuerpo para indicar a las células de otra parte que respondan. La maduración de la fruta y la pérdida de hojas en el invierno están controladas en parte por la producción del gas etileno por la planta. El estrés causado por la pérdida de agua, los cambios en la química del aire o el hacinamiento de otras plantas puede provocar cambios en la forma en que funciona una planta. Estos cambios pueden verse afectados por factores genéticos, químicos y físicos.

Para funcionar y sobrevivir, las plantas producen una amplia gama de compuestos químicos que no se encuentran en otros organismos. Debido a que no pueden moverse, las plantas también deben defenderse químicamente de los herbívoros, patógenos y la competencia de otras plantas. Lo hacen produciendo toxinas y productos químicos de mal sabor u olor. Otros compuestos defienden a las plantas contra las enfermedades, permiten la supervivencia durante la sequía y preparan las plantas para la latencia, mientras que otros compuestos se utilizan para atraer a los polinizadores o herbívoros para esparcir semillas maduras.

Muchos órganos vegetales contienen diferentes tipos de proteínas fotorreceptoras, cada una de las cuales reacciona de manera muy específica a ciertas longitudes de onda de luz. Las proteínas fotorreceptoras transmiten información como si es de día o de noche, la duración del día, la intensidad de la luz disponible y la fuente de luz. Los brotes generalmente crecen hacia la luz, mientras que las raíces crecen lejos de ella, respuestas conocidas como fototropismo y skototropismo, respectivamente. Son provocados por pigmentos sensibles a la luz como fototropinas y fitocromos y la hormona vegetal auxina. Muchas plantas con flores florecen en el momento adecuado debido a compuestos sensibles a la luz que responden a la duración de la noche, un fenómeno conocido como fotoperiodismo.

Además de la luz, las plantas pueden responder a otro tipo de estímulos. Por ejemplo, las plantas pueden sentir la dirección de la gravedad para orientarse correctamente. Pueden responder a la estimulación mecánica.

Forma y función animal

Características generales

Más información: Anatomía y fisiología La retroalimentación negativa es necesaria para mantener la homeostasis, como mantener constante la temperatura corporal.

Las células de cada cuerpo animal están bañadas en líquido intersticial, que constituye el entorno celular. Este fluido y todas sus características (p. Ej., Temperatura, composición iónica) pueden describirse como el entorno interno del animal, que contrasta con el entorno externo que abarca el mundo exterior del animal. Los animales pueden clasificarse como reguladores o conformadores. Los animales como los mamíferos y las aves son reguladores, ya que son capaces de mantener un entorno interno constante, como la temperatura corporal, a pesar de que sus entornos cambian. Estos animales también se describen como homeotermos, ya que exhiben termorregulación al mantener constante su temperatura corporal interna. Por el contrario, los animales como los peces y las ranas son conformistas, ya que adaptan su entorno interno (por ejemplo, la temperatura corporal) para que coincida con sus entornos externos. Estos animales también se describen como poiquilotermos o ectotermos, ya que permiten que la temperatura de su cuerpo coincida con su entorno externo. En términos de energía, la regulación es más costosa que la conformidad, ya que un animal expande más energía para mantener un entorno interno constante, como aumentar su tasa metabólica basal, que es la tasa de consumo de energía. De manera similar, la homeotermia es más costosa que la poiquilotermia. La homeostasis es la estabilidad del entorno interno de un animal, que se mantiene mediante ciclos de retroalimentación negativa.

El tamaño corporal de los animales terrestres varía según las diferentes especies, pero su uso de energía no se escala linealmente de acuerdo con su tamaño. Los ratones, por ejemplo, pueden consumir tres veces más comida que los conejos en proporción a su peso, ya que la tasa metabólica basal por unidad de peso en los ratones es mayor que en los conejos. La actividad física también puede aumentar la tasa metabólica de un animal. Cuando un animal corre, su tasa metabólica aumenta linealmente con la velocidad. Sin embargo, la relación no es lineal en los animales que nadan o vuelan. Cuando un pez nada más rápido, encuentra una mayor resistencia al agua y, por lo tanto, sus tasas metabólicas aumentan exponencialmente. Alternativamente, la relación entre las velocidades de vuelo y las tasas metabólicas tiene forma de U en las aves. A bajas velocidades de vuelo, un ave debe mantener altas tasas metabólicas para permanecer en el aire. A medida que acelera su vuelo, su tasa metabólica disminuye con la ayuda del aire que fluye rápidamente sobre sus alas. Sin embargo, a medida que aumenta aún más su velocidad, sus altas tasas metabólicas aumentan nuevamente debido al mayor esfuerzo asociado con las velocidades de vuelo rápidas. Las tasas metabólicas basales se pueden medir en función de la tasa de producción de calor de un animal.

Balance de agua y sal

Más información: Osmorregulación y sistema urinario Difusión de agua e iones dentro y fuera de un pez de agua dulce.

Los fluidos corporales de un animal tienen tres propiedades: presión osmótica, composición iónica y volumen. Las presiones osmóticas determinan la dirección de la difusión del agua (u ósmosis ), que se mueve desde una región donde la presión osmótica (concentración total de soluto) es baja a una región donde la presión osmótica (concentración total de soluto) es alta. Los animales acuáticos son diversos con respecto a la composición de sus fluidos corporales y sus entornos. Por ejemplo, la mayoría de los animales invertebrados del océano tienen fluidos corporales isosmóticos con el agua de mar. En contraste, los peces óseos del océano tienen fluidos corporales que son hiposmóticos al agua de mar. Finalmente, los animales de agua dulce tienen fluidos corporales que son hiperosmóticos al agua dulce. Los iones típicos que se pueden encontrar en los fluidos corporales de un animal son sodio, potasio, calcio y cloruro. El volumen de fluidos corporales puede regularse por excreción. Los animales vertebrados tienen riñones, que son órganos excretores formados por diminutas estructuras tubulares llamadas nefronas, que producen orina a partir del plasma sanguíneo. La función principal de los riñones es regular la composición y el volumen del plasma sanguíneo mediante la eliminación selectiva de material del propio plasma sanguíneo. La capacidad de los animales xéricos, como las ratas canguro, de minimizar la pérdida de agua al producir orina 10-20 veces más concentrada que su plasma sanguíneo, les permite adaptarse en ambientes desérticos que reciben muy poca precipitación.

Nutrición y digestión

Más información: Nutrición Diferentes sistemas digestivos en peces marinos.

Los animales son heterótrofos ya que se alimentan de otros organismos para obtener energía y compuestos orgánicos. Pueden obtener alimentos de tres formas principales, como dirigirse a objetos comestibles visibles, recolectar partículas diminutas de alimentos o depender de microbios para necesidades alimentarias críticas. La cantidad de energía almacenada en los alimentos se puede cuantificar en función de la cantidad de calor (medida en calorías o kilojulios ) emitida cuando los alimentos se queman en presencia de oxígeno. Si un animal consumiera alimentos que contienen una cantidad excesiva de energía química, almacenará la mayor parte de esa energía en forma de lípidos para uso futuro y parte de esa energía como glucógeno para un uso más inmediato (p. Ej., Para satisfacer las necesidades energéticas del cerebro). Las moléculas de los alimentos son componentes químicos necesarios para el crecimiento y el desarrollo. Estas moléculas incluyen nutrientes como carbohidratos, grasas y proteínas. Las vitaminas y los minerales (p. Ej., Calcio, magnesio, sodio y fósforo) también son esenciales. El sistema digestivo, que típicamente consiste en un tracto tubular que se extiende desde la boca hasta el ano, está involucrado en la descomposición (o digestión ) de los alimentos en pequeñas moléculas a medida que viajan peristálticamente a través de la luz intestinal poco después de haber sido ingeridos. Estas pequeñas moléculas de alimentos se absorben luego en la sangre desde la luz, donde luego se distribuyen al resto del cuerpo como bloques de construcción (p. Ej., Aminoácidos) o fuentes de energía (p. Ej., Glucosa).

Además de sus tractos digestivos, los animales vertebrados tienen glándulas accesorias como el hígado y el páncreas como parte de sus sistemas digestivos. El procesamiento de los alimentos en estos animales comienza en el intestino anterior, que incluye la boca, el esófago y el estómago. La digestión mecánica de los alimentos comienza en la boca y el esófago actúa como un conducto para que los alimentos lleguen al estómago, donde se almacenan y desintegran (por el ácido del estómago) para su posterior procesamiento. Al salir del estómago, los alimentos ingresan al intestino medio, que es la primera parte del intestino (o intestino delgado en los mamíferos ) y es el sitio principal de digestión y absorción. Los alimentos que no se absorben se almacenan como desechos no digeribles (o heces ) en el intestino posterior, que es la segunda parte del intestino (o intestino grueso en los mamíferos). Luego, el intestino grueso completa la reabsorción del agua y la sal necesarias antes de eliminar las heces del recto.

Respiración

Sistema respiratorio en un pájaro.

El sistema respiratorio consta de órganos y estructuras específicos que se utilizan para el intercambio de gases en los animales. La anatomía y fisiología que hacen que esto suceda varía mucho, dependiendo del tamaño del organismo, el entorno en el que vive y su historia evolutiva. En los animales terrestres, la superficie respiratoria se internaliza como revestimientos de los pulmones. El intercambio de gases en los pulmones ocurre en millones de pequeños sacos de aire; en mamíferos y reptiles estos se denominan alvéolos, y en aves se conocen como atrios. Estos sacos de aire microscópicos tienen un riego sanguíneo muy rico, por lo que el aire entra en estrecho contacto con la sangre. Estos sacos de aire se comunican con el entorno externo a través de un sistema de vías respiratorias o tubos huecos, de los cuales el más grande es la tráquea, que se ramifica en el medio del tórax hacia los dos bronquios principales. Estos ingresan a los pulmones donde se ramifican en bronquios secundarios y terciarios progresivamente más estrechos que se ramifican en numerosos tubos más pequeños, los bronquiolos. En las aves, los bronquiolos se denominan parabronquios. Son los bronquiolos o parabronquios los que generalmente se abren hacia los alvéolos microscópicos en los mamíferos y las aurículas en las aves. El aire tiene que ser bombeado desde el ambiente hacia los alvéolos o las aurículas mediante el proceso de la respiración, que involucra los músculos de la respiración.

Circulación

Sistemas circulatorios en artrópodos, peces, reptiles y aves / mamíferos.

Un sistema circulatorio generalmente consta de una bomba muscular, como un corazón, un líquido ( sangre ) y un sistema de vasos sanguíneos que lo suministra. Su función principal es transportar sangre y otras sustancias hacia y desde las células (biología) y los tejidos. Hay dos tipos de sistemas circulatorios: abiertos y cerrados. En los sistemas circulatorios abiertos, la sangre sale de los vasos sanguíneos mientras circula por el cuerpo, mientras que en el sistema circulatorio cerrado, la sangre está contenida dentro de los vasos sanguíneos mientras circula. Los sistemas circulatorios abiertos se pueden observar en animales invertebrados como los artrópodos (p. Ej., Insectos, arañas y langostas ) mientras que los sistemas circulatorios cerrados se pueden encontrar en animales vertebrados como peces, anfibios y mamíferos. La circulación en animales ocurre entre dos tipos de tejidos: tejidos sistémicos y órganos respiratorios (o pulmonares). Los tejidos sistémicos son todos los tejidos y órganos que forman el cuerpo de un animal además de los órganos respiratorios. Los tejidos sistémicos absorben oxígeno pero agregan dióxido de carbono a la sangre, mientras que los órganos respiratorios absorben dióxido de carbono pero agregan oxígeno a la sangre. En aves y mamíferos, los sistemas sistémico y pulmonar están conectados en serie.

En el sistema circulatorio, la sangre es importante porque es el medio por el cual se transportan el oxígeno, el dióxido de carbono, los nutrientes, las hormonas, los agentes del sistema inmunológico, el calor, los desechos y otros productos básicos. En anélidos como las lombrices de tierra y las sanguijuelas, la sangre es impulsada por ondas peristálticas de contracciones de los músculos del corazón que forman los vasos sanguíneos. Otros animales, como los crustáceos (p. Ej., Cangrejos de río y langostas ), tienen más de un corazón para impulsar la sangre por todo el cuerpo. Los corazones de los vertebrados tienen varias cámaras y pueden bombear sangre cuando sus ventrículos se contraen en cada ciclo cardíaco, lo que impulsa la sangre a través de los vasos sanguíneos. Aunque los corazones de los vertebrados son miogénicos, su tasa de contracción (o frecuencia cardíaca ) puede ser modulada por la información neuronal del sistema nervioso autónomo del cuerpo.

Músculo y movimiento

Más información: contracción muscular Los músculos asincrónicos impulsan el vuelo en la mayoría de los insectos. a: Alas b: Articulación del ala c: Los músculos dorsoventrales potencian los movimientos ascendentes d: Los músculos dorso-longitudinales potencian los movimientos descendentes.

En los vertebrados, el sistema muscular se compone de esquelético, liso y cardíaco músculos. Permite el movimiento del cuerpo, mantiene la postura y hace circular la sangre por todo el cuerpo. Junto con el sistema esquelético, forma el sistema musculoesquelético, que es responsable del movimiento de los animales vertebrados. Las contracciones del músculo esquelético son neurogénicas ya que requieren entrada sináptica de las neuronas motoras. Una sola motoneurona puede inervar múltiples fibras musculares, lo que hace que las fibras se contraigan al mismo tiempo. Una vez inervados, los filamentos de proteína dentro de cada fibra del músculo esquelético se deslizan entre sí para producir una contracción, que se explica por la teoría del filamento deslizante. La contracción producida puede describirse como una contracción, una suma o tétanos, según la frecuencia de los potenciales de acción. A diferencia de los músculos esqueléticos, las contracciones de los músculos lisos y cardíacos son miogénicas, ya que son iniciadas por las propias células del músculo liso o cardíaco en lugar de una neurona motora. Sin embargo, la fuerza de sus contracciones puede modularse mediante la entrada del sistema nervioso autónomo. Los mecanismos de contracción son similares en los tres tejidos musculares.

En invertebrados como las lombrices de tierra y las sanguijuelas, las células de los músculos circulares y longitudinales forman la pared corporal de estos animales y son responsables de su movimiento. En una lombriz de tierra que se mueve a través de un suelo, por ejemplo, las contracciones de los músculos circulares y longitudinales ocurren recíprocamente mientras que el fluido celómico sirve como un hidroesqueleto al mantener la turgencia de la lombriz de tierra. Otros animales, como los moluscos y los nematodos, poseen músculos estriados oblicuamente, que contienen bandas de filamentos gruesos y delgados que están dispuestos helicoidalmente en lugar de transversalmente, como en los músculos esqueléticos o cardíacos de los vertebrados. Los insectos avanzados como avispas, moscas, abejas y escarabajos poseen músculos asincrónicos que constituyen los músculos de vuelo en estos animales. Estos músculos de vuelo a menudo se denominan músculos fibrilares porque contienen miofibrillas gruesas y llamativas.

Sistema nervioso

Más información: Neurociencia y Neuroetología Neuronas piramidales de ratón (verde) y neuronas GABAérgicas (rojo).

La mayoría de los animales multicelulares tienen sistemas nerviosos que les permiten percibir y responder a su entorno. Un sistema nervioso es una red de células que procesa información sensorial y genera comportamientos. A nivel celular, el sistema nervioso se define por la presencia de neuronas, que son células especializadas para manejar información. Pueden transmitir o recibir información en sitios de contactos llamados sinapsis. Más específicamente, las neuronas pueden conducir impulsos nerviosos (o potenciales de acción ) que viajan a lo largo de sus delgadas fibras llamadas axones, que luego pueden transmitirse directamente a una célula vecina a través de sinapsis eléctricas o hacer que se liberen sustancias químicas llamadas neurotransmisores en las sinapsis químicas. Según la teoría del sodio, estos potenciales de acción pueden generarse por el aumento de la permeabilidad de la membrana celular de la neurona a los iones de sodio. Las células como las neuronas o las células musculares pueden excitarse o inhibirse al recibir una señal de otra neurona. Las conexiones entre neuronas pueden formar vías neuronales, circuitos neuronales y redes más grandes que generan la percepción del mundo de un organismo y determinan su comportamiento. Junto con las neuronas, el sistema nervioso contiene otras células especializadas llamadas glía o células gliales, que brindan apoyo estructural y metabólico.

En los vertebrados, el sistema nervioso está formado por el sistema nervioso central (SNC), que incluye el cerebro y la médula espinal, y el sistema nervioso periférico (SNP), que consta de nervios que conectan el SNC con todas las demás partes del cuerpo. Los nervios que transmiten señales desde el SNC se denominan nervios motores o nervios eferentes, mientras que los nervios que transmiten información desde el cuerpo al SNC se denominan nervios sensoriales o nervios aferentes. Los nervios espinales son nervios mixtos que cumplen ambas funciones. El SNP se divide en tres subsistemas separados, los sistemas nerviosos somático, autónomo y entérico. Los nervios somáticos median el movimiento voluntario. El sistema nervioso autónomo se subdivide en los sistemas nerviosos simpático y parasimpático. El sistema nervioso simpático se activa en casos de emergencias para movilizar energía, mientras que el sistema nervioso parasimpático se activa cuando los organismos se encuentran en un estado relajado. El sistema nervioso entérico funciona para controlar el sistema gastrointestinal. Tanto el sistema nervioso autónomo como el entérico funcionan involuntariamente. Los nervios que salen directamente del cerebro se denominan nervios craneales, mientras que los que salen de la médula espinal se denominan nervios espinales.

Muchos animales tienen órganos de los sentidos que pueden detectar su entorno. Estos órganos de los sentidos contienen receptores sensoriales, que son neuronas sensoriales que convierten los estímulos en señales eléctricas. Los mecanorreceptores, por ejemplo, que se pueden encontrar en la piel, los músculos y los órganos auditivos, generan potenciales de acción en respuesta a cambios en las presiones. Las células fotorreceptoras, como bastones y conos, que forman parte de la retina de los vertebrados, pueden responder a longitudes de onda de luz específicas. Los quimiorreceptores detectan sustancias químicas en la boca ( sabor ) o en el aire ( olor ).

Control hormonal

Más información: Endocrinología

Las hormonas son moléculas de señalización transportadas en la sangre a órganos distantes para regular su función. Las hormonas son secretadas por internos glándulas que son parte de un animal de 's sistema endocrino. En los vertebrados, el hipotálamo es el centro de control neural de todos los sistemas endocrinos. En los humanos específicamente, las principales glándulas endocrinas son la glándula tiroides y las glándulas suprarrenales. Muchos otros órganos que forman parte de otros sistemas corporales tienen funciones endocrinas secundarias, que incluyen huesos, riñones, hígado, corazón y gónadas. Por ejemplo, los riñones secretan la hormona endocrina eritropoyetina. Las hormonas pueden ser complejos de aminoácidos, esteroides, eicosanoides, leucotrienos o prostaglandinas. El sistema endocrino puede contrastarse con las glándulas exocrinas, que secretan hormonas al exterior del cuerpo, y la señalización paracrina entre las células a una distancia relativamente corta. Las glándulas endocrinas no tienen conductos, son vasculares y, por lo general, tienen vacuolas o gránulos intracelulares que almacenan sus hormonas. Por el contrario, las glándulas exocrinas, como las glándulas salivales, las glándulas sudoríparas y las glándulas dentro del tracto gastrointestinal, tienden a ser mucho menos vasculares y tienen conductos o una luz hueca.

Reproducción animal

Reproducción sexual en libélulas.

Los animales pueden reproducirse de dos formas: asexual y sexual. Casi todos los animales participan en alguna forma de reproducción sexual. Producen gametos haploides por meiosis. Los gametos móviles más pequeños son los espermatozoides y los gametos inmóviles más grandes son los óvulos. Estos se fusionan para formar cigotos, que se desarrollan a través de la mitosis en una esfera hueca, llamada blástula. En las esponjas, las larvas de blástula nadan hacia una nueva ubicación, se adhieren al lecho marino y se convierten en una nueva esponja. En la mayoría de los otros grupos, la blástula experimenta un reordenamiento más complicado. Primero invagina para formar una gástrula con una cámara digestiva y dos capas germinales separadas, un ectodermo externo y un endodermo interno. En la mayoría de los casos, también se desarrolla entre ellos una tercera capa germinal, el mesodermo. Estas capas germinales luego se diferencian para formar tejidos y órganos. Algunos animales son capaces de reproducirse asexualmente, lo que a menudo resulta en un clon genético del padre. Esto puede ocurrir por fragmentación ; en ciernes, como en Hydra y otros cnidarios ; o partenogénesis, donde se producen huevos fértiles sin apareamiento, como en los pulgones.

Desarrollo animal

Más información: Biología del desarrollo y embriología Escisión en embrión de pez cebra.

El desarrollo animal comienza con la formación de un cigoto que resulta de la fusión de un espermatozoide y un óvulo durante la fertilización. El cigoto se somete a múltiples rondas rápidas de células mitóticas del período de divisiones celulares llamadas clivaje, que forma una bola de células similares llamada blástula. Se produce la gastrulación, mediante la cual los movimientos morfogenéticos convierten la masa celular en tres capas germinales que comprenden el ectodermo, el mesodermo y el endodermo.

El final de la gastrulación señala el comienzo de la organogénesis, mediante la cual las tres capas germinales forman los órganos internos del organismo. Las células de cada una de las tres capas germinales se diferencian, un proceso en el que las células menos especializadas se vuelven más especializadas mediante la expresión de un conjunto específico de genes. La diferenciación celular está influenciada por señales extracelulares como los factores de crecimiento que se intercambian con las células adyacentes, lo que se denomina señalización yuxtracrina, o con las células vecinas en distancias cortas, lo que se denomina señalización paracrina. Las señales intracelulares consisten en una señal celular en sí misma ( señalización autocrina ), también juegan un papel en la formación de órganos. Estas vías de señalización permiten el reordenamiento celular y aseguran que los órganos se formen en sitios específicos dentro del organismo.

Sistema inmune

Más información: inmunología Procesos en la respuesta inmune primaria

El sistema inmunológico es una red de procesos biológicos que detecta y responde a una amplia variedad de patógenos. Muchas especies tienen dos subsistemas principales del sistema inmunológico. El sistema inmunológico innato proporciona una respuesta preconfigurada a amplios grupos de situaciones y estímulos. El sistema inmunológico adaptativo proporciona una respuesta personalizada a cada estímulo al aprender a reconocer las moléculas que ha encontrado previamente. Ambos usan moléculas y células para realizar sus funciones.

Casi todos los organismos tienen algún tipo de sistema inmunológico. Las bacterias tienen un sistema inmunológico rudimentario en forma de enzimas que protegen contra las infecciones por virus. Otros mecanismos inmunitarios básicos evolucionaron en plantas y animales antiguos y permanecen en sus descendientes modernos. Estos mecanismos incluyen la fagocitosis, péptidos antimicrobianos llamados defensinas y el sistema del complemento. Los vertebrados con mandíbulas, incluidos los humanos, tienen mecanismos de defensa aún más sofisticados, incluida la capacidad de adaptarse para reconocer patógenos de manera más eficiente. La inmunidad adaptativa (o adquirida) crea una memoria inmunológica que conduce a una respuesta mejorada a los encuentros posteriores con ese mismo patógeno. Este proceso de inmunidad adquirida es la base de la vacunación.

Conducta animal

Más información: Etología Los parásitos de la cría, como el cuco, proporcionan un estímulo sobrenatural a las especies parentales.

Los comportamientos juegan un papel central en la interacción de los animales entre sí y con su entorno. Pueden usar sus músculos para acercarse, vocalizar, buscar refugio y migrar. El sistema nervioso de un animal activa y coordina su comportamiento. Los patrones de acción fijos, por ejemplo, son conductas estereotipadas y determinadas genéticamente que ocurren sin aprendizaje. Estos comportamientos están bajo el control del sistema nervioso y pueden ser bastante elaborados. Los ejemplos incluyen el picoteo de los polluelos de la gaviota cocinera en el punto rojo del pico de su madre. Otros comportamientos que han surgido como resultado de la selección natural incluyen el forrajeo, el apareamiento y el altruismo. Además del comportamiento evolucionado, los animales han desarrollado la capacidad de aprender modificando sus comportamientos como resultado de experiencias individuales tempranas.

Ecología

Ecosistemas

Los biomas terrestres están formados por la temperatura y la precipitación.

La ecología es el estudio de la distribución y abundancia de vida, la interacción entre los organismos y su entorno. La comunidad de organismos vivos ( bióticos ) junto con los componentes no vivos ( abióticos ) (p. Ej., Agua, luz, radiación, temperatura, humedad, atmósfera, acidez y suelo) de su entorno se denomina ecosistema. Estos componentes bióticos y abióticos están vinculados entre sí a través de ciclos de nutrientes y flujos de energía. La energía del sol ingresa al sistema a través de la fotosíntesis y se incorpora al tejido vegetal. Al alimentarse de plantas y unos de otros, los animales juegan un papel importante en el movimiento de materia y energía a través del sistema. También influyen en la cantidad de biomasa vegetal y microbiana presente. Al descomponer la materia orgánica muerta, los descomponedores liberan carbono a la atmósfera y facilitan el ciclo de nutrientes al convertir los nutrientes almacenados en la biomasa muerta a una forma que las plantas y otros microbios pueden utilizar fácilmente.

El entorno físico de la Tierra está formado por la energía solar y la topografía. La cantidad de entrada de energía solar varía en el espacio y el tiempo debido a la forma esférica de la Tierra y su inclinación axial. La variación en la entrada de energía solar impulsa los patrones meteorológicos y climáticos. El tiempo es la actividad diaria de temperatura y precipitación, mientras que el clima es el promedio del tiempo a largo plazo, generalmente promediado durante un período de 30 años. La variación de la topografía también produce heterogeneidad ambiental. En el lado de barlovento de una montaña, por ejemplo, el aire se eleva y se enfría, y el agua cambia de forma gaseosa a líquida o sólida, lo que produce precipitaciones como lluvia o nieve. Como resultado, los ambientes húmedos permiten que crezca una vegetación exuberante. Por el contrario, las condiciones tienden a ser secas en el lado de sotavento de una montaña debido a la falta de precipitación a medida que el aire desciende y se calienta, y la humedad permanece como vapor de agua en la atmósfera. La temperatura y la precipitación son los principales factores que dan forma a los biomas terrestres.

Poblaciones

Más información: Ecología de poblaciones Alcanzar la capacidad de carga a través de una curva de crecimiento logístico

Una población es el número de organismos de la misma especie que ocupan un área y se reproducen de generación en generación. Su abundancia se puede medir usando la densidad de población, que es el número de individuos por unidad de área (por ejemplo, tierra o árbol) o volumen (por ejemplo, mar o aire). Dado que generalmente no es práctico contar a cada individuo dentro de una gran población para determinar su tamaño, el tamaño de la población se puede estimar multiplicando la densidad de población por el área o el volumen. El crecimiento de la población durante intervalos de corto plazo se puede determinar utilizando la ecuación de la tasa de crecimiento de la población, que toma en consideración las tasas de natalidad, muerte e inmigración. A más largo plazo, el crecimiento exponencial de una población tiende a desacelerarse a medida que alcanza su capacidad de carga, que puede modelarse utilizando la ecuación logística. La capacidad de carga de un ambiente es el tamaño máximo de población de una especie que puede ser sostenida por ese ambiente específico, dados los alimentos, el hábitat, el agua y otros recursos disponibles. La capacidad de carga de una población puede verse afectada por condiciones ambientales cambiantes, como cambios en la disponibilidad de recursos y el costo de mantenerlos. En las poblaciones humanas, las nuevas tecnologías como la revolución verde han ayudado a aumentar la capacidad de carga de la Tierra para los humanos a lo largo del tiempo, lo que ha obstaculizado los intentos de predicción de una disminución inminente de la población, la famosa de Thomas Malthus en el siglo XVIII.

Comunidades

A (a) pirámide trófica y a (b) red alimentaria simplificada. La pirámide trófica representa la biomasa en cada nivel.

Una comunidad es un grupo de poblaciones de dos o más especies diferentes que ocupan la misma zona geográfica al mismo tiempo. Una interacción biológica es el efecto que tienen unos sobre otros un par de organismos que viven juntos en una comunidad. Pueden ser de la misma especie (interacciones intraespecíficas) o de diferentes especies (interacciones interespecíficas). Estos efectos pueden ser a corto plazo, como la polinización y la depredación, o a largo plazo; ambos a menudo influyen fuertemente en la evolución de las especies involucradas. Una interacción a largo plazo se llama simbiosis. Las simbiosis van desde el mutualismo, beneficioso para ambos socios, hasta la competencia, perjudicial para ambos.

Cada especie participa como consumidor, recurso o ambos en las interacciones consumidor-recurso, que forman el núcleo de las cadenas alimentarias o redes alimentarias. Existen diferentes niveles tróficos dentro de cualquier red trófica, siendo el nivel más bajo los productores primarios (o autótrofos ) como plantas y algas que convierten la energía y el material inorgánico en compuestos orgánicos, que luego pueden ser utilizados por el resto de la comunidad. En el siguiente nivel están los heterótrofos, que son las especies que obtienen energía al separar los compuestos orgánicos de otros organismos. Los heterótrofos que consumen plantas son consumidores primarios (o herbívoros ) mientras que los heterótrofos que consumen herbívoros son consumidores secundarios (o carnívoros ). Y aquellos que comen consumidores secundarios son consumidores terciarios y así sucesivamente. Los heterótrofos omnívoros pueden consumir en múltiples niveles. Finalmente, existen descomponedores que se alimentan de los productos de desecho o cadáveres de organismos.

En promedio, la cantidad total de energía incorporada a la biomasa de un nivel trófico por unidad de tiempo es aproximadamente una décima parte de la energía del nivel trófico que consume. Los desechos y los materiales muertos utilizados por los descomponedores, así como el calor perdido por el metabolismo, constituyen el otro noventa por ciento de la energía que no es consumida por el siguiente nivel trófico.

Biosfera

Ciclo de carbono rápido que muestra el movimiento de carbono entre la tierra, la atmósfera y los océanos en miles de millones de toneladas por año. Los números amarillos son flujos naturales, los rojos son contribuciones humanas, los blancos son carbono almacenado. No se incluyen los efectos del ciclo lento del carbono, como la actividad volcánica y tectónica.

En el ecosistema global (o biosfera ), la materia existe como diferentes compartimentos que interactúan, que pueden ser bióticos o abióticos, así como accesibles o inaccesibles, según sus formas y ubicaciones. Por ejemplo, la materia de los autótrofos terrestres es biótica y accesible a otros organismos, mientras que la materia de las rocas y los minerales es abiótica e inaccesible. Un ciclo biogeoquímico es una vía por la cual elementos específicos de la materia se entregan o se mueven a través de los compartimentos biótico ( biosfera ) y abiótico ( litosfera, atmósfera e hidrosfera ) de la Tierra. Existen ciclos biogeoquímicos para el nitrógeno, el carbono y el agua. En algunos ciclos hay reservorios donde una sustancia permanece o es secuestrada por un largo período de tiempo.

El cambio climático incluye tanto el calentamiento global impulsado por las emisiones de gases de efecto invernadero inducidas por el hombre como los cambios a gran escala resultantes en los patrones climáticos. Aunque ha habido períodos anteriores de cambio climático, desde mediados del siglo XX los seres humanos han tenido un impacto sin precedentes en el sistema climático de la Tierra y han provocado cambios a escala global. El mayor impulsor del calentamiento es la emisión de gases de efecto invernadero, de los cuales más del 90% son dióxido de carbono y metano. La quema de combustibles fósiles ( carbón, petróleo y gas natural ) para el consumo de energía es la principal fuente de estas emisiones, con contribuciones adicionales de la agricultura, la deforestación y la manufactura. El aumento de la temperatura se acelera o atenúa por las reacciones climáticas, como la pérdida de la capa de nieve y hielo que refleja la luz solar, el aumento del vapor de agua (un gas de efecto invernadero en sí mismo) y los cambios en los sumideros de carbono terrestres y oceánicos.

Conservación

Se realizan esfuerzos para preservar las características naturales de Hopetoun Falls, Australia, sin afectar el acceso de los visitantes.

La biología de la conservación es el estudio de la conservación de la biodiversidad de la Tierra con el objetivo de proteger las especies, sus hábitats y ecosistemas de las tasas excesivas de extinción y la erosión de las interacciones bióticas. Se ocupa de los factores que influyen en el mantenimiento, la pérdida y la restauración de la diversidad biológica y la ciencia del sustento de los procesos evolutivos que engendran diversidad genética, de poblaciones, especies y ecosistemas. La preocupación surge de estimaciones que sugieren que hasta el 50% de todas las especies del planeta desaparecerán en los próximos 50 años, lo que ha contribuido a la pobreza, el hambre y restablecerá el curso de la evolución en este planeta. La biodiversidad afecta el funcionamiento de los ecosistemas, que brindan una variedad de servicios de los que dependen las personas.

Los biólogos de la conservación investigan y educan sobre las tendencias de la pérdida de biodiversidad, la extinción de especies y el efecto negativo que tienen en nuestra capacidad para mantener el bienestar de la sociedad humana. Las organizaciones y los ciudadanos están respondiendo a la crisis actual de la biodiversidad a través de planes de acción de conservación que dirigen programas de investigación, monitoreo y educación que involucran preocupaciones a escalas locales a globales.

Ver también

• Biología en la ficción
• Glosario de biología
• Lista de sitios web biológicos
• Lista de biólogos
• Lista de revistas de biología
• Lista de temas de biología
• Lista de ciencias de la vida
• Lista de temas ómicos en biología
• Asociación Nacional de Profesores de Biología
• Esquema de biología
• Tabla periódica de las ciencias de la vida en las cuatro preguntas de Tinbergen
• Reproducción
• Turismo científico
• Terminología de la biología

Notas

Referencias

Otras lecturas

Más información: Bibliografía de biología

• Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2002). Biología molecular de la célula (4ª ed.). Guirnalda. ISBN   978-0-8153-3218-3. OCLC   145080076.
• Begon M, Townsend CR, Harper JL (2005). Ecología: de los individuos a los ecosistemas (4ª ed.). Blackwell Publishing Limited. ISBN   978-1-4051-1117-1. OCLC   57639896.
• Campbell N. (2004). Biología (7ª ed.). Compañía editorial de Benjamin-Cummings. ISBN   978-0-8053-7146-8. OCLC   71890442.
• Colinvaux P (1979). Por qué los animales grandes y feroces son raros: la perspectiva de un ecologista (reedición ed.). Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN   978-0-691-02364-9. OCLC   10081738.
• Mayr, Ernst (1982). El crecimiento del pensamiento biológico: diversidad, evolución y herencia. Prensa de la Universidad de Harvard. ISBN   978-0-674-36446-2. Archivado desde el original el 3 de octubre de 2015. Consultado el 27 de junio de 2015.
• Hoagland M (2001). The Way Life Works (reimpresión ed.). Jones y Bartlett Publishers inc. ISBN   978-0-7637-1688-2. OCLC   223090105.
• Janovy, John (2004). Sobre convertirse en biólogo (2ª ed.). Libros de bisontes. ISBN   978-0-8032-7620-8. OCLC   55138571.
• Johnson, George B. (2005). Biología, visualizando la vida. Holt, Rinehart y Winston. ISBN   978-0-03-016723-2. OCLC   36306648.
• Tobin, Allan; Dusheck, Jennie (2005). Preguntando por la vida (3ª ed.). Belmont, California: Wadsworth. ISBN   978-0-534-40653-0.

enlaces externos

Wikilibros tiene más sobre el tema: Biología

Wikisource tiene trabajos originales sobre el tema: Historia natural y biología.

Busque biología en Wikcionario, el diccionario gratuito.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la biología.

• Biología en Curlie
• Phylocode de OSU
• Biología en línea - Diccionario Wiki
• Serie de video conferencias del MIT sobre biología
• El árbol de la vida : un proyecto de Internet distribuido de varios autores que contiene información sobre filogenia y biodiversidad.

Enlaces de revistas

• PLos Biology Una revista de acceso abierto revisada por pares publicada por la Biblioteca Pública de Ciencias
• Current Biology : Revista general que publica investigaciones originales de todas las áreas de la biología.
• Biology Letters : unarevista de alto impacto de la Royal Society que publicaartículos de biología revisados ​​por pares de interés general
• Science :Revista científica de la AAAS de renombre internacional; consulte las secciones de ciencias de la vida.
• Revista internacional de ciencias biológicas : una revista biológica que publica importantes artículos científicos revisados ​​por pares.
• Perspectivas en biología y medicina : unarevista académica interdisciplinaria que publica ensayos de amplia relevancia